Auto a idrogeno: perché non è semplice come sembra

H2 o elettriche a batterie, quale tecnologia dominerà il mercato dell’autotrazione? Fenomenologia della mobilità del futuro, con i numeri e la fisica che (anche senza volerlo), influenzeranno le scelte dei consumatori. Ecco il secondo episodio del focus sull’idrogeno

auto a idrogeno
via depositphotos.com

di Matteo Grittani

(Rinnovabili.it) – “Idrogeno vettore energetico, idrogeno nuovo combustibile, idrogeno chiave di volta per il futuro dell’autotrazione”. Lo ribadiamo: se molto si è parlato della molecola biatomica più leggera in natura dal punto di vista economico e scenaristico – riportando perlopiù ipotesi sullo sviluppo della tecnologia nei prossimi anni, desiderata e annunci – inspiegabilmente poco o nessuno spazio hanno trovato riflessioni scientifiche e ingegneristiche a giustificarne un interesse tanto crescente. Il successo di una trasformazione del sistema energetico globale (stando ai giornali), così drastica come quella che avrebbe come protagonista l’idrogeno, dipende dalla sua fattibilità tecnica prima di ogni altra cosa.

Nell’ultimo focus abbiamo cercato di spiegare le motivazioni per cui l’H2, pur avendo indubbie grandi potenzialità, presenti allo stesso tempo problematiche legate alla sua natura chimica e termodinamica che rendono difficile sfruttarlo appieno. Protagonista di questo secondo articolo sarà il concetto di efficienza, cruciale in tutto ciò che riguarda processi energetici. Ci concentreremo in particolare sull’efficienza in autotrazione, proponendo un confronto tra il rendimento utile dei veicoli a idrogeno e quello degli elettrici a batteria. In poche parole si cercherà di rispondere alla domanda: “chi utilizza meglio tra le due tecnologie l’energia che ha a disposizione?”.

100 Watt per un’auto a idrogeno

Cominciamo dalla conclusione: da Bloomberg NEF, a IEA, all’International Council on Clean Transportation, pressoché tutte le più grandi istituzioni e centri di ricerca internazionali ci dicono che la maggior parte dei veicoli per trasporto su ruota nei prossimi decenni saranno battery-electric. L’autotrazione a idrogeno in altre parole non avrà mercato, o ne avrà pochissimo. Per capirne il motivo, ancora una volta puramente tecnico, ragioniamo tuttavia nel modo più “laico” possibile: con i numeri e con la fisica.

Supponiamo allora di avere 100 Watt elettrici prodotti da rinnovabile (es: una turbina eolica). Per alimentare un Fuel Cell Electric Vehicle (FCEV), un veicolo elettrico mosso da celle a combustibile, questa energia dev’essere trasformata in idrogeno – possibilmente tramite elettrolisi, per mantenere l’intero processo carbon neutral. Sappiamo che l’efficienza energetica dell’elettrolisi si aggira sul 75%, fino ad arrivare all’80%.

Ciò significa che, approssimando ottimisticamente, un quinto dell’energia che avevamo in partenza va persa in questo primo step. Ma non è finita qui purtroppo, perché una volta ottenuto l’H2 dobbiamo comprimerlo fino a circa 700 bar, raffreddarlo per arrivare dai -33 ai -40°C e stoccarlo in appositi tank. Un insieme di trasformazioni che ha un’efficienza del 90%. Una volta dentro il veicolo, l’H2 viene riconvertito in elettricità all’interno della Fuel Cell con un’efficienza massima raggiungibile in laboratorio dell’83%. L’efficienza reale oggi sul mercato sta nel range 40-60%. Consideriamo di nuovo ottimisticamente il limite superiore: 60%. A questo punto c’è un ultimo rendimento da considerare, quello elettrico del motore, che assumiamo pari al 95%.

Con una semplice moltiplicazione di tutti i rendimenti che rappresentano le trasformazioni energetiche subite dai 100 Watt elettrici da cui siamo partiti, si giunge a 100*0.95*0.60*0.9*0.75, ovvero 38 Watt che vengono effettivamente “usati” dal FCEV. 

100 Watt per un’auto elettrica a batterie

Mettiamo da parte i 38 Watt del veicolo a idrogeno e cerchiamo di stimare ora la potenza utile netta di cui è in grado di usufruire la stessa automobile, con un motore elettrico a batteria, Battery Electric Vehicle (BEV). Così come per l’idrogeno, abbiamo a disposizione 100 Watt rinnovabili generati da eolico. Nel tragitto dalla turbina alla colonnina di ricarica si perde il 5% (approssimiamo per eccesso), principalmente tramite dispersione di calore nei cavi e nei trasformatori delle sottostazioni.

Considerando una batteria agli ioni di Litio, le perdite in fase di carica saranno pari al 16% circa (è una media, dal momento che il range di valori possibili è piuttosto ampio). Non tenendo in considerazione l’energia “bonus” fornita dalla frenata rigenerativa dunque, verrà perso ancora dal motore elettrico circa il 5% dell’energia originale nella conversione da elettrica a meccanica per far girare le ruote. Tutte le perdite nelle tre diverse fasi di trasformazione sono riferite alla quantità di energia elettrica da cui siamo partiti (i 100 W da eolico), quindi la potenza utile di cui l’EV dispone è 100 – 5 – 16 – 5 = 74 Watt. 74 Watt da confrontare con i 38 dell’auto a idrogeno. Insomma sembra non esserci partita.

Il mercato del battery-electric cresce esponenzialmente

Come visto nel dettaglio, per garantire al veicolo ad H2 la stessa quantità di energia rispetto a quello elettrico a batteria dovremmo impiegare circa il doppio dell’energia in partenza (200 Watt rinnovabili). Questa dinamica del tutto “energetica” e tecnica si riflette plasticamente anche sul mercato. Sono gli stessi grandi player e costruttori automobilistici (su tutti Volkswagen e BMW) che hanno varie volte messo nero su bianco la miglior resa del battery-electric rispetto all’idrogeno. Citando BMW: “l’efficienza complessiva dell’idrogeno nella filiera energetica power-to-vehicle è circa la metà di quella dei veicoli elettrici a batterie”.

Guardando ai numeri del mercato in questo momento, la differenza tra BEV e FCEV è netta: considerando anche i plug-in electric (PHEV), sono più di 10 milioni i veicoli elettrici in strada in tutto il mondo. Globalmente nel 2020 le vendite di EV sono salite a 3.24 milioni – uno dei pochi settori economici (e l’unico segmento dell’autotrasporto), che non ha praticamente patito l’onda lunga della pandemia. Anzi, ha migliorato la performance già ragguardevole dei 2.26 milioni nel 2019.

Le auto a idrogeno giocano invece in gironi diversi, con vendite e veicoli circolanti che hanno – in questo istante – dai due ai tre ordini di grandezza in meno rispetto alle elettriche. Le previsioni più rosee dell’andamento del mercato per i veicoli a idrogeno (FCEV) stimano tra 0.4 e 1.87 milioni di vendite entro il 2025. Citando un accurato report Wolkswagen sul tema: “la conclusione è chiara, per quanto riguarda le autovetture, tutto sembra propendere per le elettriche a batterie, e praticamente nulla per l’idrogeno”.

4 Commenti

  1. Per quel che mi ricordo dai tempi dell’università, la perdita percentuale dell’energia elettrica tra la centrale di produzione e l’utilizzatore è mediamente molto superiore al 5%.
    Poi sarebbe interessante valutare il costo ambientale delle due soluzioni: quanta energia serve per produrre le batterie e per smaltirle (invece di stoccarle) e quanta per costruire e smaltire la cella e il contenitore per l’idrogeno, il tutto in rapporto alla loro vita utile.
    Secondo me le scelte qui indicate, infatti, sono comprensibili più dal punto di vista del ritorno economico dell’industria attuale che dall’interesse generale. Sarebbe tempo di considerare, criticamente e sempre, tutti i costi per l’ambiente a carico della collettività quando si espone un argomento di questo tipo. Va tenuto presente che progresso e sviluppo tecnologico non sono affatto sinonimi.

  2. Buonasera
    Concordo che tra macchine alimentate ad idrogeno e direttamente in elettrico, non ci sia partita, ma credo che il 5% stimato come perdite per la distribuzione siano assolutamente troppo ottimistiche.
    Infatti solo per la distribuzione stiamo già sopra il 6% (fonte Terna) poi i passaggi tra alta tensione, media tensione e bassa tensione, pur se raggiungono ciascuno anche un massimo del 98% (teorico) sono più di uno.
    Infine l’efficienza delle colonnine di ricarica, sono a loro volta con perdite non trascurabili e mi sembra non sia stata considerata, quindi temo che i 74 watt utili, li ritengo non possibili.

  3. Prendendo per buoni i calcoli di efficienza proposti (le perdite di rete sono ben maggiori del 5%) non si tiene conto di un fatto: a fronte di una maggiore efficienza della catena di generazione di energia, dalla pala eolica alla ruota, nel caso della batteria, bisogna considerare che un vieicolo FC pesa meno di un veicolo a batteria (i sistemi FC hanno densità di poteza maggiore) e quiondi il suo concumo di energia per avanzare è minore, da qui discende che l’energia richiesta, a parità di Km percorsi è più bassa. Ciò, a ritroso, comporta meno richiesta alla fonte e tutto si riequilibra a favore dell’idrogeno. In sostanza, meno efficienza ma maggiore densità di potenza = meno energia da produrre. Senza contare i tempi di ricarica, praticamewnte nulli delle vetture a idrogeno, la maggiore autonomia,e i futuri elttrolizzaotri ad alta pressione. Le percentuali da sole non bastano.

  4. Dal mio punto di vista l’articolo e’ parziale e incompleto. Nonche’ forse un po’ di parte. Parziale perche’ considera, per la produzione dell’idrogeno, sono l’accoppiata pala eolica-termolisi dell’acqua. Ovviemante esistono altre combinazioni. Ad iniziare dal processo. L’elettrolisi dell’acqua a temperatura ambiente e’ il processo con il piu’ basso rendimento. Con la Termoelettrolisi, ovvero elettrolisi del vapore acqueo, i numeri cambiano e di molto. Ovviamente serve una fonte di energia primaria/macchina termica che produca il vapore acqueo.
    Incompleto in quanto non esamina ed indaga i possibili scenari futuri. Rimanere ancorati al binomio turbina eolica-elettrolisi non porta da nessuna parte. Tante sono le domande alle quale fornire una risposta. Quanto idrogeno abbiamo bisogno nel futuro? Quale acqua utilizzare? Quale energia.
    A mio parere tra non molto si palesera’ la necessita’ di riconsiderare l’energia atomica (ops, l’ho detto!) come fonte primaria da accoppiare, nei momenti di bassa prodizione, alla termoelettrolisi di cui sopra. L’acqua non potra’ non essere l’acqua marina. Ma qui si apre un altro capitolo perche’ servono catalizzatori che resistano alla salinita’ dell’acqua.

    Tornando all’auto, e’ stato gia’ fatto notare che portarsi a volte 2 tonnellate di batterie non e’ proprio intelligente; per non parlare dei tempi di ricarica.

    La BEV sono una moda che nel giro di qualche anno tramontera’; esistono prototipi di auto a H2, Mercedes GLC in primis, che aspettano solo che le colonnine a H2 siano a poratata di mano.

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