Guida un’auto a celle a combustibile a idrogeno come una Toyota Mirai o una Hyundai Nexo e tutto quello che senti al volante è identico a un’auto elettrica a batteria: coppia istantanea, silenzio, marcia unica. La differenza sta tutta a monte del motore elettrico. Un’auto elettrica a batteria porta con sé l’energia già come elettricità, immagazzinata chimicamente e rilasciata a richiesta. Un’auto a celle a combustibile (FCEV, Fuel-Cell Electric Vehicle) porta con sé l’energia come idrogeno gassoso compresso e genera l’elettricità da sola, in continuo, a bordo, nel momento in cui serve.
Lo stack: dove idrogeno e ossigeno producono elettricità, non fuoco
Il cuore di un’FCEV è lo stack di celle a combustibile PEM (Proton Exchange Membrane), centinaia di celle singole impilate insieme, ciascuna costruita attorno a una sottile membrana polimerica rivestita da un catalizzatore in platino. L’idrogeno proveniente dal serbatoio scorre su un lato della membrana, dove il catalizzatore strappa via gli elettroni da ogni molecola di idrogeno, lasciando passare attraverso la membrana solo i protoni nudi; gli elettroni strappati devono fare il giro lungo attraverso un circuito esterno per arrivare dall’altra parte, e proprio questa deviazione forzata è la corrente elettrica che muove l’auto. Dall’altro lato della membrana, i protoni, gli elettroni e l’ossigeno prelevato dall’aria circostante si ricombinano in quelle che sono le uniche due cose che un’auto a idrogeno emette dal tubo di scarico: vapore d’acqua e calore. Non c’è alcuna combustione in tutto il processo — è una reazione elettrochimica controllata, lo stesso principio di base di una batteria, solo che il “combustibile” scorre in continuo attraverso di essa invece di esservi immagazzinato dentro.
700 bar nel pianale e nel tunnel centrale
L’idrogeno è l’elemento più leggero che esista, quindi per immagazzinare una quantità utile di energia in un serbatoio di dimensioni ragionevoli deve essere compresso a fondo: le FCEV stradali lo portano a 700 bar (circa 10.000 psi), dentro serbatoi compositi rivestiti in fibra di carbonio progettati e crash-testati appositamente per contenere quella pressione anche in un urto severo. Questo è il motivo principale per cui i serbatoi delle FCEV sono cilindrici e tendono a occupare spazio nel pianale e nel tunnel centrale invece di stare piatti sotto il pianale come fa un pacco batterie — un cilindro resiste alla pressione in modo molto più efficiente di una lastra piatta. Un serbatoio pieno contiene circa 5-6 kg di idrogeno, sufficienti per circa 600 km di autonomia sulle auto di generazione attuale, e si riempie in tre-cinque minuti presso una stazione compatibile: il vero vantaggio strutturale che un’FCEV ha su un’auto elettrica a batteria, dato che il tempo di rifornimento è funzione della portata dell’erogatore, non del limite chimico dell’ordine delle ore che frena la velocità con cui una batteria può accettare carica in sicurezza.
Resta un’auto elettrica: batteria, motore, frenata rigenerativa, tutto presente
Sotto lo stack della fuel cell, un’FCEV è costruita esattamente come l’auto a motore elettrico che è: l’uscita dello stack alimenta un’unità di elettronica di potenza e un motore di trazione elettrico identico in linea di principio a quello di un’auto elettrica a batteria, e ogni FCEV porta anche una piccola batteria tampone — molto più piccola di quella di una BEV, tipicamente 1-2 kWh — per assorbire l’energia della frenata rigenerativa e per coprire i picchi di potenza istantanea di un’accelerazione brusca, ai quali una fuel cell da sola reagirebbe troppo lentamente. In termini di guida quotidiana, questo significa che un’FCEV frena e accelera con la stessa sensazione rigenerativa, quasi one-pedal, di qualsiasi altra auto elettrica; il compito della fuel cell è solo mantenere carica quella piccola batteria e fornire potenza costante di crociera, più come un generatore che come unica fonte di energia.
Perché “zero emissioni” non significa “energia gratis”: il problema well-to-wheel
Il problema di efficienza dell’idrogeno emerge ancora prima che entri in gioco l’auto. Produrre idrogeno per elettrolisi (scindere l’acqua con l’elettricità) perde subito circa il 30% dell’energia in ingresso; comprimere quell’idrogeno a 700 bar e trasportarlo fino a una stazione costa altra energia; lo stack della fuel cell in sé converte poco più della metà, nel migliore dei casi, dell’energia residua contenuta nell’idrogeno in elettricità, il resto diventa calore di scarto. Somma su somma, un’auto a idrogeno trasforma tipicamente circa il 25-35% dell’elettricità originaria in movimento alle ruote — contro circa il 70-80% di un’auto elettrica a batteria caricata direttamente dalla rete, che salta del tutto la catena elettrolisi-compressione-fuel cell. Proprio questo divario di efficienza well-to-wheel è la ragione principale per cui la maggior parte dei costruttori di auto che negli anni 2010 avevano esplorato le FCEV (Toyota, Hyundai, e per un periodo Honda e Mercedes-Benz) hanno da allora ridotto la gamma a pochi modelli, mentre gli investimenti in ricerca sull’idrogeno si sono spostati sempre più verso camion pesanti, autobus e treni, dove il rifornimento rapido e l’autonomia lunga contano più di ogni punto percentuale di efficienza, e dove il peso delle batterie è un problema molto più grande di quanto non sia su un’auto.
Il progetto UE che ha costruito la rete di rifornimento idrogeno d’Europa
Il vero ostacolo più grande alle auto a idrogeno non è mai stato davvero l’auto — è la quasi totale assenza di posti dove fare il pieno. È esattamente questo il vuoto che il progetto UE H2ME – Hydrogen Mobility Europe (Horizon 2020, Fuel Cells and Hydrogen Joint Undertaking, coordinato da Element Energy, Regno Unito, €32,0M di contributo UE su €62,3M di budget totale, 2015-2020) e il suo successore H2ME 2 (coordinato da Environmental Resources Management, Regno Unito, €35,0M di contributo UE su €106,5M di budget totale, 2016-2023) si sono proposti di colmare, collegando le iniziative nazionali sull’idrogeno di Germania, Francia, Scandinavia e Regno Unito nell’inizio di una vera rete di rifornimento pan-europea, facendo al contempo crescere la flotta di FCEV realmente in circolazione su quelle strade — H2ME 2 ha esplicitamente ampliato il parco veicoli includendo nuovi modelli passeggeri di Honda e Mercedes-Benz oltre a furgoni e altre piattaforme. Entrambi i progetti sono stati condotti sotto la FCH JU, la partnership pubblico-privata dedicata dell’UE (paragonabile per struttura a BATT4EU per le batterie) per co-finanziare la tecnologia dell’idrogeno a una scala che nessun singolo programma nazionale potrebbe gestire da solo.
Il progetto UE che ha reso il rifornimento davvero rapido
Riempire un serbatoio di idrogeno in pochi minuti a 700 bar è di per sé un problema ingegneristico difficile — comprimere gas così in fretta genera calore che deve essere gestito con precisione, altrimenti il carburante non entra in sicurezza nel serbatoio. Il progetto UE HyFast (Horizon 2020, SME Instrument Phase 2, coordinato da Cavendish Hydrogen, Danimarca, €2,0M di contributo UE su €2,9M di budget totale, 2015-2017) ha portato la tecnologia di rifornimento H2Station® da un prototipo già promettente (TRL5, sviluppato attraverso anni di R&S nazionale precedente) a un progetto pienamente validato e pronto per la produzione (TRL8), capace di quei rifornimenti rapidi ad alta pressione che rendono davvero utilizzabile nella vita quotidiana l’unico vero vantaggio pratico dell’idrogeno sulla ricarica delle batterie.
Photo: © Car-Shooters