5 ottobre 2016 - Primo contatto

Toyota FCV Plus

Provate a pensare ad ogni volta che avete letto di una nuova “concept ad idrogeno” (solitamente giapponese) presentata a qualche salone automobilistico contornata di promesse sul futuro “green” dell'automobile e dell'umanità intera. Ormai non fa nemmeno più notizia.
Da anni si aspetta che i distributori di idrogeno si diffondano in modo sufficientemente capillare da consentire un utilizzo comodo di questa propulsione, da anni si aspetta che si plachino le voci scettiche sulla pericolosità di questo combustibile (dopotutto era la stessa critica che si muoveva contro l'invenzione del signor Benz a fine 1800…).
D'altra parte la critica a chi vede l'idrogeno come combustibile ecologico non necessita che di poche basi tecniche. Infatti l'idrogeno (H) è l'elemento più diffuso sulla Terra ma neanche una minima percentuale di questo si trova “libero” e la sua “estrazione” richiede energia. Una quantità rilevante di energia: dai 45 ai 18 Kwh per un chilo.
La Toyota Mirai, caso più unico che raro di vettura ad idrogeno degna di nota sul mercato, percorre circa 500km con 5kg di combustibile emettendo, come scarto, solo 60 mL di acqua pura al chilometro (quindi 30 litri ogni 500 km). La reazione elettrochimica chimica che avviene nelle celle a combustibile (fuel cell) produce calore ed energia elettrica tramite l'unione di idrogeno e ossigeno (ottenendo acqua, come dicevamo).
Non potendo essere tutto ciò perfetto, per basilari principi fisici, l'energia spesa per riempire il serbatoio di idrogeno è maggiore di quella ottenuta dall'idrogeno stesso. Se la differenza è prodotta con le centrali a carbone (9% dell'energia italiana) o petrolio (44% dell'energia italiana)  la “rivoluzione verde” ci sarà solo nel portafoglio di chi avrà pagato circa 60.000€ per questa vettura.

La nuova concept della Toyota, la FCV Plus, si dice pensata in un'ottica più ampia e che rende sensato tutto il discorso sull'efficienza energetica di cui sopra. Questo perché, al di là della forma e delle soluzioni tecniche adottate nella disposizione delle fuel cell e della power unit, la FCV Plus vuole inserirsi nelle “smart grid” del futuro.
Questo è un termine che sta iniziando relativamente da poco a diffondersi nei media e si riferisce a reti di produzione, distribuzione e utilizzo dell'energia altamente efficienti ma, oserei dire “di conseguenza”, altamente complesse. Solo di recente i mezzi informatici, l'Internet of things e le conquiste tecniche danno la possibilità di progettare simili sistemi in cui tutte le fonti di energia, dal termico, al solare all'idroelettrico, sono combinate in modo ottimale per sfruttare le potenzialità di ciascuna: la “tempestività” dell'idroelettrico, la “gratuità” di solare ed eolico (purtroppo imprevedibili) e la “costanza” del termico (purtroppo inquinante) per rispondere alla continua variazione di richiesta da parte di industria, case private e… trasporti. Quest'ultima voce fino a pochi anni fa includeva solo i treni delle linee elettrificate, ma oggi comprende sempre più automobili.

Il grattacapo di coloro che studiano, progettano e gestiscono la rete elettrica è che in ogni momento ciò che viene prodotto, e quindi immesso in rete, deve essere uguale a ciò che viene consumato dalle fabbriche, dagli ospedali, dai cellulari messi a ricaricare, dalle lampadine accese e spente imprevedibilmente eccetera. Questo perché l'unico modo in cui accumulare l'energia elettrica in modo abbastanza efficiente (dal punto di vista energetico, da quello economico il discorso è un po' più complesso) è stoccarla in batterie. Costosissime batterie, se si ha a che fare con la richiesta energetica di una nazione intera.
La diffusione di vetture full electric come la Tesla Model S o a fuel cell come la Mirai o la FCV potrebbe aiutare non poco a risolvere questo problema mettendo in rete non poche batterie enormi ed economicamente proibitive ma migliaia di piccole e flessibili batterie che, collegate alla rete per il tempo in cui normalmente non si usa la macchina, possono ora caricarsi e ora scaricarsi secondo gli immediati bisogni della rete. Cercando ovviamente di farvi trovare la vostra vettura carica quando ne avrete bisogno.

“Non esiste – dicono gli esperti – il silver bullet con cui l'ultimo cow-boy uccide l'ultimo pellerossa salvando la carovana” ma ogni “rivoluzione green”, che parta dalla terra del Sol Levante o dalla Silicon Valley, deve essere inquadrata in una più grande evoluzione che coinvolga tutti noi.

 

Pubblichiamo di seguito alcune note di approfondimento a cura del fisico M. Rossini:

La reazione chimica che avviene nelle celle a combustibile è formalmente una combustione in quanto è un'ossidoriduzione se la si guarda nel suo complesso dai reagenti iniziali (idrogeno e ossigeno) al prodotto finale (acqua). Però, in realtà, il funzionamento delle fuel cell è radicalmente diverso dalla combustione di idrogeno e ossigeno che avviene, ad esempio, nei razzi: in quel caso si sfrutta il fatto che la reazione è esotermica per far si che il volume del vapore acque prodotto sia decisamente maggiore di quello dei reagenti così da ottenere energia cinetica nel vapore in uscita. Nelle celle a combustibile invece avvengono due reazioni separate, una all'anodo (separazione dell'idrogeno in protoni ed elettroni) e l'altra al catodo (combinazione di ossigeno, protoni ed elettroni per formare acqua). In realtà anche questa è una semplificazione che ignora la presenza di vari "catalizzatori".
Le due reazioni avvengono da parti opposte della membrana, che può essere attraversata dai protoni ma non dalle molecole di idrogeno, in modo che gli elettroni passino nel circuito elettrico esterno.
Quindi in una cella a combustibile si ottiene una reazione elettrochimica che produce calore, scarti ed energia elettrica, mentre in una normale combustione si hanno solo i primi due.

Con il termine "riempire il serbatorio" si intende tutto il processo di produzione, trasporto e immagazzinamento dell'idrogeno. Anche l'operazione ultima di riempire materialmente il serbatorio richiede energia dovendo l'idrogeno essere compresso anche fino a 700 volte le pressione atmosferica.
Bisogna precisare che attualmente solo il 5% dell'idrogeno viene prodotto per elettrolisi (quindi utilizzando elettricità per estrarlo ad esempio dall'acqua) mentre il resto si ottiene, tremite processi che generano CO_2 e altri inquinanti, da idrocarburi (circa la metà dal metano, il resto da petrolio e carbone) che non sono una fonte rinnovabile.

di Enrico Gussoni

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