I problemi dell’utilizzo dell’idrogeno

Sono più di 20 anni che le case automobilistiche fanno ricerca sull’utilizzo dell’idrogeno. Perché allora di auto ad idrogeno in giro ancora non se ne vedono?

Problema: il basso rendimento dell’idrogeno

A temperatura ambiente l’idrogeno produce poca energia per unità di volume. Basta fare un confronto dell’energia prodotta da un litro di idrogeno e da un litro di benzina, in megajoules per litro, per rendersene conto:

Idrogeno (gassoso a temperatura ambiente) = 0,01079 MJ/L
Benzina (a temperatura ambiente) = 34.6 MJ/L

Per fortuna però, a parità di massa l’idrogeno ha un rendimento triplo della benzina. Questo ci permette di considerare solo un terzo della differenza tra i due valori sopra evidenziati.

Da questi dati si deduce che il rendimento della benzina è 1000 volte circa quello dell’idrogeno, a parità di pressione e a temperatura ambiente. Se quindi volessimo avere la stessa autonomia utilizzando l’idrogeno gassoso non compresso, ci servirebbe un serbatoio grande 1000 volte quello che contesse invece benzina.

Per portarsi dietro l’energia equivalente del serbatoio di una golf, (45 litri di benzina, ovvero 0,045 metri cubi), servirebbero cioè 45.000 litri di idrogeno (45 metri cubi), ovvero un rimorchio di 6 metri di lunghezza pieno di idrogeno.

Ovviamente non è una soluzione praticabile. Ci sono però poche alternative al rimorchio, e le prime due hanno a che fare con le caratteristiche dei gas.

Problema: l’idrogeno è un gas

La teoria cinetica dei gas, che si applica ovviamente anche all’idrogeno a temperatura ambiente, descrive un gas come un gran numero di piccole particelle (atomi o molecole) che sono in costante movimento casuale.

La prima legge di Gay-Lussac inoltre ci dice che, in condizioni di pressione costante, il volume di un gas aumenta linearmente con la temperatura.

In pratica, se aumenti la temperatura di un gas, aumenta la sua pressione. Nello stesso modo, se aumenti la pressione, aumenta anche la sua temperatura.
Per contro, se diminuisci la pressione, diminuisce la temperatura. Nello stesso modo, se diminuisci la temperatura, diminuisce la pressione.

I primi due sistemi per far stare più idrogeno in un recipiente piccolo, sono quindi quelli di comprimerlo o di raffreddarlo.

L’idrogeno compresso

Come dicevamo, se comprimi l’idrogeno la sua pressione e la sua temperatura aumentano: le particelle del gas cozzano più frequentemente tra di loro e contro le pareti del recipiente, e questo genera pressione e calore. Più comprimi, e più il gas si scalda.
Serve quindi un contenitore che offra caratteristiche di resistenza molto elevate sia al calore che alla pressione.

Lo stoccaggio di idrogeno tramite compressione è la prima delle tecnologie che sono state messe in atto per l’utilizzo dell’idrogeno.

Nell’autotrazione si sono utilizzati recipienti con pressioni massime di 300 atmosfere, ottenendo quindi una autonomia di un meno di un terzo, rispetto allo stesso contenitore pieno di benzina.
La soluzione attuale per questo tipo di auto, è quella di limitarsi ai SUV ed occupare tutto lo spazio possibile riempiendolo di contenitori di idrogeno a pressione. Malgrado questo, l’autonomia non supera solitamente i 150 km.

Ovviamente la compressione dell’idrogeno non è gratuita dal punto di vista energetico. Bisogna fornire energia per comprimere il gas, e questo va tenuto in conto perchè il costo energetico della compressione diminuisce la resa totale.

Anche i tempi di rifornimento non sono comparabili con quelli della pompa di benzina. Più velocemente si vuole spingere il gas dentro al serbatoio, più bisogna alzare la pressione e ci sono dei limiti dati dalla resistenza del serbatoio stesso.

In pratica, più il serbatoio si riempie, e più rallenta la velocità di rifornimento, perché la pressione interna al serbatoio controbilancia la pressione della pompa.
Nelle auto a metano, ad esempio, si utilizza una compressione di 220 atmosfere e per fare il pieno servono circa 8 minuti.

l’idrogeno liquido

Diminuendo la temperatura dell’idrogeno fino a circa -253 gradi centigradi, l’idrogeno diventa liquido. In questo stato non ci sono più problemi di pressione, e la densità di energia per volume si avvicina molto a quella della benzina (circa i nove decimi).
C’è però il problema di convincere l’idrogeno a rimanere liquido.

Per mantenere la temperatura, si usano dei contenitori chiamati vasi di Dewar (dal nome dell’inventore) che sono più o meno come i termos che si usano per mantenere il caffè caldo.
Hanno internamente una intercapedine di vuoto e, siccome nel vuoto il calore si trasmette unicamente per irraggiamento, le pareti interne sono coperte da un rivestimento riflettente (Dewar usava l’argento, ai suoi tempi).

Malgrado le contromisure però, lo scambio di calore avviene ugualmente e solitamente il punto più problematico è il tappo che copre la bocchetta da cui si fa rifornimento.

Quando la temperatura sale, anche di poco, l’idrogeno liquido comincia a bollire; una parte ridiventa gas e quindi la pressione cresce.

I vasi di Dewar non sono in grado di contenere un aumento di pressione, perciò hanno una valvola, tipo quella della pentola a pressione, che libera il gas quando la pressione aumenta troppo.

In pratica, se la temperatura non viene mantenuta entro i -253 gradi da un mezzo meccanico (che consumerebbe energia), la velocità di evaporazione è tale che dai test della BMW risulta che, ad auto ferma, in 10 giorni gran parte dell’idrogeno contenuto nel serbatoio si volatilizza.

Molti produttori hanno costruito veicoli ad idrogeno che si basano su questa tecnologia di stoccaggio dell’idrogeno ma, a causa del problema dell’evaporazione, al momento si tratta di prototipi, o soluzioni di nicchia.

Problema: l’idrogeno è un piccolo bastardo

L’idrogeno, sia in forma liquida che gassosa, ha una altra simpatica caratteristica: rende fragili i metalli. Si fissa sugli atomi di ferro all’interno degli spazi interstiziali del reticolo molecolare, e contribuisce alla rottura del contenitore per fatica statica.

I serbatoi devono quindi essere costruiti con materiali costosi e con sovrabbondanza di materiali, perciò, oltre a costare fino a 10 volte il costo di un normale serbatoio, pesano anche molto di più.

Anche a temperatura ambiente, l’idrogeno è estremamente sfuggente. Se non si lega con gli atomi di ferro, a causa del suo bassissimo peso atomico è capace di diffondersi attraverso praticamente ogni materiale di rivestimento che venga utilizzato per il suo contenimento, “imbevendolo” e alla lunga attraversandolo per uscire libero nell’atmosfera.

Proprio queste sua caratteristiche però, hanno aperto la strada a nuovi sistemi di stoccaggio.

le spugne ad idruri metallici

Gli idruri si comportano come delle spugne che imprigionano chimicamente l’idrogeno in forma solida. La densità energetica teorica è superiore a quella dell’idrogeno liquido, e lo stoccaggio risulta essere molto più sicuro, perché il composto non è immediatamente reattivo.

Ovviamente ci sono delle controindicazioni: almeno due.

1. Il composto risultante è molto più pesante, per via della presenza degli idruri metallici, e il peso ulteriore aumenta il consumo energetico del mezzo.
2. L’estrazione dell’idrogeno dalle spugne avviene tramite compressione e/o riscaldamento (in quale misura dipende dal metallo utilizzato). E’ quindi necessario avere un modo rapido di riscaldare/comprimere le spugne per ottenere l’idrogeno da inviare al motore. Questo abbassa ulteriormente il rendimento.

Per contro, durante il rifornimento si genera calore in eccesso che deve essere necessariamente eliminato in qualche modo.

Queste due problematiche, rendono molto complessa la gestione del serbatoio.

Pur essendo una tecnologia molto promettente, al momento sono pochissimi i prototipi di auto che si basano su di essa. Molte case automobilistiche hanno addirittura abbandonato questa strada, in attesa di nuovi sviluppi tecnologici.

Le nanostrutture di carbonio

Si tratta di nanotubi e nanofibre a base di grafite, che assorbono l’idrogeno a temperatura ambiente. 

Per accumulare idrogeno, serve una pressione circa di 100 atmosfere. Per estrarlo, circa 40.

Il vantaggio di questa tecnologia è l’estrema densità di stoccaggio stimato. In questo senso sarebbe la tecnologia ideale per l’autotrazione, ma siamo ancora ad una fase sperimentale.

Le microsfere di cristallo

Sono piccole sfere di cristallo, vuote, con un diametro che varia da 25 a 500 micron ed uno spessore superficiale di un solo micron.
Per riempirle, le microsfere vengono riscaldate in un ambiente saturo di idrogeno. Il sottile involucro esterno diventa permeabile all’idrogeno, a temperature intorno ai 300 gradi. Quando la pressione interna raggiunge quella esterna, le sfere sono pronte.

Le microsfere possono poi essere stoccate sotto forma di polvere fluida. L’estrazione dell’idrogeno avviene riscaldando nuovamente le microsfere, che possono poi essere ricoperte e riciclate per nuovi incapsulamenti.

Questo metodo ha buone possibilità di prevalere sugli altri ma, anche in questo caso, non siamo ancora arrivati ad una diffusa applicazione in ambito industriale.

Ultimo problema: l’idrogeno inquina

Nei motori che bruciano direttamente idrogeno, durante la combustione con l’aria si liberano acqua e azoto, ma in piccola parte si liberano anche degli ossidi di azoto, a causa delle alte temperature.

L’idrogeno inoltre non esiste in natura e viene principalmente estratto dai gas naturali, tramite processi inquinanti.

Non è ancora tutto. È stato ipotizzato che in caso di utilizzo diffuso in tutto il mondo, quantità significative d’idrogeno gassoso possano fuoriuscire dai serbatoi di idrogeno.

In tal caso, anche per l’azione della radiazione ultravioletta, si potrebbero formare radicali di idrogeno nella stratosfera. Questi radicali potrebbero in seguito agire come catalizzatori del danno alla fascia dell’ozono.

Un aumento sufficientemente grande della quantità di idrogeno stratosferico da perdite di idrogeno, potrebbe esacerbare il buco nell’ozono.