Idrogeno e altre propulsioni a confronto

Il metodo più semplice per produrre idrogeno è l’elettrolisi, dove l’elettricità viene utilizzata per scomporre l’acqua nei suoi due componenti: idrogeno e ossigeno. Si tratta di un processo ad alta intensità energetica, e quindi costoso, ma completamente rinnovabile. Concretamente, oggi il 95% dell’idrogeno è prodotto da combustibili fossili, per lo più gas naturale. Il carbonio contenuto viene rilasciato nell’atmosfera sotto forma di CO2. Per 1 kg di idrogeno servono 9 litri di acqua.

L’idrogeno è anche oneroso da maneggiare e trasportare. Per liquefare il gas, è necessario raffreddarlo a -250 °C, con un costo energetico estremamente elevato. Essendo un gas, l’idrogeno richiede molto spazio, motivo per cui le auto a celle a combustibile immagazzinano il carburante in serbatoi in fibra di carbonio a 700 bar. Inoltre, l’idrogeno è molto volatile e reattivo, il che pone molti altri ostacoli di natura tecnica durante il trasporto e il rifornimento.

Per saperne di più: L’idrogeno sul banco di prova

A seconda della miscela, una normale benzina per motori è composta da oltre 150 diverse sostanze, le quali sono a loro volta costituite per la maggior parte soltanto da due elementi: l’idrogeno e il carbonio. Questi elementi possono combinarsi in vari modi e costituiscono anche la base dei carburanti sintetici. Esistono diversi processi di produzione, che però seguono tutti sostanzialmente lo stesso schema.

1. Produzione di idrogeno a partire dall’elettricità

Per ottenere il primo ingrediente degli e-fuel, occorrono soltanto acqua e tanta corrente elettrica. Attraverso l’elettrolisi l’acqua viene scomposta nei suoi elementi costituenti, ottenendo idrogeno e, come sottoprodotto, l’ossigeno che tuttavia normalmente non viene utilizzato.

2. Estrazione del carbonio dalla CO2

Il secondo ingrediente pone maggiori sfide. È vero che il carbonio è presente in abbondanza sulla Terra, ma bisogna evitare che finisca nell’aria in misura superiore a quella attuale. Infatti durante la combustione il carbonio contenuto all’interno degli e-fuel viene nuovamente rilasciato nell’atmosfera sotto forma di CO2. La soluzione è la cattura della CO2, un processo in cui l’anidride carbonica viene prelevata dai gas di scarico industriali oppure direttamente dall’aria circostante. Gliimpianti CCU (dall’inglese Carbon Capture and Utilization) utilizzati a tal fine sono di grandi dimensioni e per filtrare la CO2 necessitano anche di notevoli quantità di energia.

3. Combinazione dell’idrogeno con il carbonio

Attraverso un processo chimico l’idrogeno si lega alla CO2. Il gassintetico risultante può essere successivamente trasformato e raffinato con un processo in più fasi per ottenere prodotti come l’e-benzina, l’e-diesel o l’e-cherosene.

Rispetto ad altre fonti di energia rinnovabili, i carburanti come l’e-benzina presentano soprattutto un grande vantaggio: quello di racchiudere molta energia in poco volume e poco peso. Se prendiamo ad esempio l’industria aeronautica, le attuali batterie sono 7 volte troppo grandi e 20 volte troppo pesanti per poter pensare all’alimentazione elettrica di un aereo passeggeri a lunga percorrenza. Da questo punto di vista gli e-fuel offrono una valida alternativa ai carburanti fossili.

E per quanto riguarda l’auto?

Anche nel caso delle auto elettriche le batterie sono più grandi e pesanti dei serbatoi di benzina e inoltre nel lungo periodo dovrebbero sostituire milioni di auto con motori a combustione che circolano sulle nostre strade. Quindi si pone la domanda se non avrebbe più senso sostituire il carburante anziché l’automobile.

Il primo problema è la disponibilità: in pratica oggi non esiste ancora un e-fuel pronto per l’acquisto. Il più grande impianto pilota del mondo in Cile a partire dal 2026 dovrebbe produrre, a costi nettamente superiori a quelli della benzina o del diesel, ben 550 milioni di litri l’anno che però non coprono neanche il 10% del consumo di carburante della Svizzera e meno dell’1% di quello della Germania.

Un problema ancora più complesso è il fabbisogno energetico degli e-fuel: già per la produzione richiedono due volte l’energia che riescono a fornire e più dei due terzi ne vanno poi persi nel motore a combustione. Nello specifico significa che per circolare un’auto convenzionale alimentata a e-fuel necessita nel migliore dei casi di una quantità di elettricità circa cinque volte maggiore di quella richiesta da un’auto elettrica.

L’industria automobilistica è evidentemente giunta alla stessa conclusione: secondo i dati del 2022 fino al 2035 tre quarti dei marchi automobilistici in Europa intendono vendere soltanto auto elettriche. Se si sommano gli obiettivi di flotta di tutti i costruttori di automobili, l’84% dei nuovi veicoli venduti in Europa fino ad allora circolerà unicamente a energia elettrica. Anche per quanto riguarda i restanti produttori, gran parte dei veicoli nuovi venduti saranno auto elettriche.

Conclusione: dobbiamo staccarci dal petrolio e gli e-fuel giocheranno indubbiamente un ruolo importante a tal fine. Questi carburanti sono validi laddove non esiste una soluzione migliore, più efficiente. Per le automobili la questione sembra già risolta: finché non sarà possibile disporre di grandi quantità di e-fuel, la maggior parte delle industrie automobilistiche continuerà a puntare unicamente sulle auto elettriche, poiché presentano un fabbisogno energetico nettamente più basso. Resta da capire se gli elettrocarburanti prenderanno piede per i mezzi pesanti, dato che in termini numerici motori più efficienti generano costi di gestione inferiori e nel trasporto di merci il carburante incide notevolmente sui costi di gestione. Gli e-fuel saranno invece insostituibili nel trasporto marittimo e aereo se ci sarà la volontà di mantenere un basso impatto sul clima, mentre il loro impiego nel traffico stradale si limiterà probabilmente ad auto d’epoca e veicoli esotici.

I veicoli con trazione ibrida plug-in, o PHEV (Plug-in Hybrid Electric Vehicle), sono progettati per percorrere distanze più lunghe in modalità esclusivamente elettrica. Di solito dispongono di un’autonomia di 30-120 chilometri prima che subentri il motore a combustione. Come suggerisce il nome, i PHEV sono dotati di una spina per caricare la batteria dalla rete elettrica. Sono quindi in grado di coprire le distanze giornaliere senza consumare carburante, a condizione che vengano caricati quotidianamente in modo costante.

Il Range Extender non è altro che un generatore che estende l’autonomia di un’auto elettrica quando necessario. Di solito si tratta di un piccolo motore termico, che però è collegato solo meccanica-mente a un generatore e non alla trazione. In questo caso si parla anche di propulsione ibrida seriale.

I veicoli a celle a combustibile, o FCEV (Fuel Cell Electric Vehicle), sono auto elettriche alimentate con un combustibile anziché direttamente con l’elettricità. Sebbene esistano diversi tipi di celle per sostanze come il metanolo o il metano, il tipo più importante resta in assoluto la cella a combustibile a idrogeno.

Nelle cosiddette auto Fuel-Cell, l’idrogeno proveniente da un serbatoio ad alta pressione viene combinato con l’ossigeno dell’aria per generare elettricità. L’unico prodotto di scarto è l’acqua. Una minuscola batteria fornisce capacità di accumulo per il freno rigenerativo e supporta la cella a combustibile durante le accelerazioni più brusche, ma è molto più piccola rispetto a quella di un’auto elettrica a batteria.

Il vantaggio dell’idrogeno rispetto alle batterie sta nel peso e nel tempo di riempimento. Soprattutto nelle auto a lunga autonomia, le batterie agli ioni di litio sono molto pesanti, con un conseguente aumento dei consumi e una riduzione del carico utile. Tuttavia, il gas estremamente volatile e infiammabile comporta altri ostacoli di natura tecnica. Affinché i serbatoi non occupino troppo spazio nell’auto, l’idrogeno deve essere compresso a 700 bar. Inoltre, si perde circa il 40% dell’energia durante la produzione di idrogeno e un altro 50% durante la conversione nella cella a combustibile: in definitiva, un’auto Fuel-Cell necessita di una quantità di elettricità per chilometro circa tre volte superiore a quella di un’auto elettrica a batteria.

Oltre al serbatoio della benzina, le auto a gas naturale dispongono anche di un serbatoio pressurizzato per il gas naturale compresso, o CNG (Compressed Natural Gas). I motori a benzina tradizionali sono in gran parte compatibili con il gas naturale e spesso possono anche essere adattati a tale scopo. Il gas naturale è un combustibile fossile non rinnovabile, composto per la maggior parte da metano. Poiché il metano contiene meno carbonio della benzina, le emissioni di CO2 dei motori a combustione alimentati a gas naturale sono inferiori del 20%, ma il metano stesso è un gas serra molto più potente del CO2.

Allo stesso modo del gas naturale anche il gas liquefatto, o GPL, viene utilizzato come carburante per i motori a benzina, ma le due tecnologie non sono compatibili. Il GPL è costituito principalmente da propano e butano e si ottiene in parte dall’estrazione di gas naturale e petrolio e in parte dalla raffinazione del petrolio. A differenza del gas naturale, che viene immagazzinato ad alta pressione, il GPL si liquefa già a meno di 10 bar. Il GPL è al terzo posto a livello mondiale dopo la benzina e il diesel come carburante per motori, ma in Svizzera non è mai riuscito ad affermarsi, soprattutto perché le auto realizzate con impianto GLP di fabbrica non venivano importate nel nostro Paese. Inoltre, se si equipaggia un veicolo con il GPL, con un costo elevato di circa 4000 franchi svizzeri, si perde la garanzia del costruttore e i proprietari di garage sotterranei possono rifiutarne l’accesso.

Come il gas naturale, il biogas è costituito principalmente da metano e può essere utilizzato negli stessi veicoli. A differenza del gas naturale fossile, però, viene ottenuto dalla fermentazione della biomassa ed è quindi un combustibile rinnovabile. L’impiego delle acque reflue e dei rifiuti biologici per produrre biogas è già una prassi comune in molti Paesi e offre solo un piccolo potenziale di crescita. È anche possibile coltivare direttamente le piante per la produzione di biogas, ma questa opzione non ha molto senso a causa dell’elevato fabbisogno energetico da parte dell’agricoltura e dell’utilizzazione del suolo.

L’etanolo è noto principalmente come alcol comune o alcol etilico. Oltre a essere usato come stupefacente e solvente, viene impiegato anche come carburante per i motori a benzina. In molti Paesi è normale aggiungere piccole quantità di bioetanolo alla benzina. Tuttavia, sono comuni anche le miscele ad alta percentuale come l’E85 (85% di etanolo) o addirittura l’E100 puro. Attualmente, la maggior parte delle auto a benzina in Europa tollera fino al 10% di etanolo; i cosiddetti veicoli a combustione flessibile sono in grado di funzionare con qualsiasi miscela.

È vero che il bioetanolo è un carburante rinnovabile a base vegetale, tuttavia spesso vengono utilizzati come materie prime prodotti come mais, barbabietola da zucchero o canna da zucchero. La loro coltivazione comporta un elevato fabbisogno energetico e rischia di entrare in conflitto con la catena alimentare.