Come funziona un veicolo a idrogeno?

Sebbene il termine «cella a combustibile» possa dare l’impressione di una tecnologia all’avanguardia piuttosto ostica per il grande pubblico, il segreto di questo nuovo modo di produrre energia risiede in una semplice reazione chimica tra ossigeno e idrogeno. Quali sono, quindi, le caratteristiche specifiche di un veicolo a idrogeno? Come funziona? Quali sono i suoi vantaggi? E, più concretamente, quali sono i possibili utilizzi dell’auto a idrogeno?

Le sfide dell'auto elettrica a idrogeno

Per cominciare, qualche elemento di contesto. Il termine «auto elettrica a idrogeno» indica un veicolo alimentato da una fonte energetica specifica, l’idrogeno, grazie a un sistema particolare: la cella a combustibile. L’auto a «cella a combustibile a idrogeno» fa parte dellagrande famiglia delle auto elettriche. La sua trazione è, infatti, assicurata da un gruppo motopropulsore elettrico.

Nel caso di un veicolo elettrico con batteria agli ioni di litio, l’energia elettrica viene immagazzinata nella batteria ad ogni ricarica dalla rete elettrica. Nel veicolo a idrogeno, invece, l’elettricità necessaria al funzionamento del gruppo motopropulsore proviene sia dalla batteria che dalla cella a combustibile, utilizzando l’idrogeno immagazzinato a bordo. La maggior parte dei veicoli a idrogeno attualmente offerti dalle case automobilistiche si basa su questo principio.

L'auto a idrogeno condivide, insieme all'auto 100% elettrica, l'obiettivo di circolare con un basso impatto di carbonio. Tuttavia, restano ancora numerose sfide da affrontare per ridurre al minimo l'impatto ambientale della produzione di idrogeno. Attualmente, il metodo di estrazione di questa molecola si basa sul reforming di composti organici contenenti carbonio. Si parla quindi di idrogeno «grigio», poiché viene ottenuto tramite un processo di estrazione da combustibili fossili.
Ma esiste un altro modo per ottenere l’idrogeno: tramite l’elettrolisi dell’acqua. Se l’elettricità necessaria per questa elettrolisi proviene da una fonte di energia sostenibile come il fotovoltaico o l’eolico, è allora possibile produrre idrogeno “verde”. Questo metodo di estrazione rappresenta una soluzione per il futuro.

Il funzionamento di un’auto elettrica a idrogeno grazie alla cella a combustibile

Come funziona concretamente un veicolo a celle a combustibile a idrogeno? L’energia elettrica è fornita da una cella a combustibile. L’idrogeno è immagazzinato sotto pressione in serbatoi appositi, a bordo del veicolo. Questo gas (H2), insieme all’ossigeno (O2) presente nell’aria ambiente, alimenta la cella a combustibile. Questi due gas subiscono una reazione elettrochimica all’interno della pila. Questa reazione produce elettricità, calore e vapore acqueo (H₂O), che fuoriesce sotto forma di un getto d’acqua attraverso un tubo di scarico situato sotto il veicolo.

L'energia così prodotta, insieme a quella della batteria, alimentail motore elettrico dell'auto. Il veicolo si muove quindi in silenzio e senza emissioni di gas inquinanti né di CO2. Il veicolo può essere rifornito di idrogeno in stazioni dedicate, grazie a pompe in grado di iniettare molto rapidamente (5 minuti) idrogeno sotto forma di gas pressurizzato all'interno del serbatoio.

Il consumo di un veicolo a celle a combustibile a idrogeno

Bisogna tenere presente che l’atomo di idrogeno, che compone la molecola di diidrogeno (H₂), è uno degli elementi naturali più semplici e leggeri della tavola periodica (ovvero della classificazione che elenca tutti gli elementi chimici presenti sulla Terra). La sua densità volumica è molto bassa. Per ottenere la quantità di idrogeno necessaria al corretto funzionamento di un veicolo, è quindi necessario immagazzinarne una grande quantità, ad alte pressioni, in serbatoi di grandi dimensioni.

L'auto elettrica a idrogeno secondo il Grouppo Renault

Per il Grouppo Renault, un’auto elettrica a celle a combustibile a idrogeno è un veicolo elettrico che riunisce sotto lo stesso cofano una batteria agli ioni di litio e una cella a combustibile. Scegliendo la complementarità, Renault combina il meglio dei due mondi.

In questa configurazione standard, il motore elettrico è alimentato dalla batteria agli ioni di litio. La cella a combustibile costituisce invece una riserva di energia supplementare, che consente di aumentare l'autonomia del veicolo, garantendo una maggiore autonomia e tempi di ricarica più brevi.

I vantaggi dell'auto a idrogeno

A bordo del proprio veicolo a idrogeno, il conducente beneficia innanzitutto di un’autonomia quasi raddoppiata. L’elettricità prodotta dalla cella a combustibile grazie allo stoccaggio dell’idrogeno si aggiunge alla capacità di accumulo della batteria principale. In questo senso, il sistema a idrogeno può essere considerato un “prolungatore di autonomia”.
Ciliegina sulla torta: la rapidità di ricarica. Oltre alla ricarica elettrica dalla rete, bastano pochi minuti (5 minuti al massimo) per “fare il pieno” di idrogeno e alimentare la cella a combustibile, prolungando così istantaneamente l’autonomia.
E questi non sono gli unici vantaggi: il veicolo a idrogeno conserva tutti i benefici legati all’uso di un’auto elettrica, a cominciare dalla silenziosità di funzionamento, dal piacere di guida e dall’accesso alle zone a traffico limitato di alcuni centri urbani.

La ricarica di un veicolo a idrogeno

Come avviene concretamente la ricarica di un’auto elettrica a idrogeno? La risposta varia a seconda dei costruttori. Nella soluzione studiata dal Grouppo Renault, il veicolo offre due opzioni per ricaricare le proprie riserve di energia. In primo luogo, la ricarica da una colonnina elettrica “classica” per alimentare la batteria agli ioni di litio (ricarica facilitata dal numero di colonnine accessibili). In secondo luogo, la ricarica presso una stazione a idrogeno per riempire i serbatoi di gas in pochi minuti, qualora fosse necessario prolungare il viaggio.

Lo stoccaggio dell'idrogeno

Sebbene il termine “auto a celle a combustibile” non sia ancora entrato del tutto nel linguaggio comune, non deve far pensare a una tecnologia in qualche modo rischiosa. Naturalmente, l’idrogeno, contenuto nel serbatoio sotto forte pressione, è un elemento infiammabile e volatile, ma questo vale per qualsiasi combustibile. In caso di surriscaldamento o di guasto alla pila, l’idrogeno viene disperso e depressurizzato in meno di un minuto.

Da oltre vent'anni, le tecnologie che utilizzano il diidrogeno sono state testate e approvate in numerose occasioni in condizioni spesso estreme (ingegneria spaziale, sottomarini, macchinari da cantiere).

Il Grouppo Renault sta inoltre lavorando su propulsori elettrici bi-energia (batteria ricaricabile e cella a combustibile a idrogeno), in particolare con il proprio marchio Renault e ilprototipo Emblème.

Da segnalare anche il lavoro svolto da Alpine nel campo dell'idrogeno, con i prototipi Alpenglow Hy4 eHy6 presentatinel 2024. 

Auto a idrogeno o auto elettrica con batteria agli ioni di litio: confronto

Queste tecnologie sembrano diametralmente opposte, ma costituiscono due offerte di mobilità complementari.Idrogeno o auto elettrica: la scelta dipende innanzitutto dall’uso e dal tipo di veicolo. Su un veicolo commerciale leggero, con un carico utile consistente, l’idrogeno è particolarmente indicato. Anche se il serbatoio che lo contiene è voluminoso, il suo peso rimane ragionevole. L’idrogeno si presta particolarmente a utilizzi intensivi a circuito chiuso, con un punto di rifornimento ben identificato e facilmente accessibile durante un giro di consegne, oppure all’interno degli stessi locali dell’azienda.
I veicoli elettrici dotati esclusivamente di batterie agli ioni di litio, dal canto loro, si rivolgono a tutti i tipi di utilizzo e di utenza, dai brevi tragitti in città alle grandi arterie stradali. Tuttavia, quando la batteria è scarica, l’unica soluzione è ricaricarla dalla rete elettrica. La velocità di ricarica è inferiore rispetto a quella dell’idrogeno, ma le stazioni di ricarica sono più numerose, sia in aree private che su strada. È semplice approfittare della sosta del proprio veicolo per ricaricarlo.
Si tratta quindi di due tecnologie complementari nei loro utilizzi, entrambe volte a garantire una mobilità sostenibile.

Veicoli a idrogeno: qual è la loro diffusione in Europa e in Francia?

Nel 2020, le nuove immatricolazioni di veicoli a celle a combustibile a idrogeno riguardano in primo luogo la Germania, seguita dai Paesi Bassi e dalla Francia**. Le stazioni di rifornimento di idrogeno si stanno progressivamente diffondendo in Europa. In Francia, nel 2023, sono operative 23 stazioni, con l’obiettivo di arrivare a 900 entro il 2030. In Germania ne sono in fase di installazione 109, con l’obiettivo di arrivare a 300 entro il 2030, mentre in Spagna se ne contano 3, con l’obiettivo di arrivare a 150 entro il 2030. I Paesi Bassi contano nel 2023 12 stazioni operative, con l’obiettivo di arrivare a 150 entro il 2025. L’arrivo delle prime auto elettriche a idrogeno di serie, compresi i veicoli aziendali che per ora si ricaricano essenzialmente all’interno delle proprie sedi, potrebbe accelerare lo sviluppo di queste infrastrutture e contribuire alla crescita della tecnologia a idrogeno.

*WLTP: Worldwide Harmonized Light Vehicles Test Procedures. Il ciclo WLTP standardizzato è composto per il 57% da percorsi urbani, per il 25% da percorsi extraurbani*WLTP: Worldwide Harmonized Light Vehicles Test Procedures. Il ciclo WLTP standardizzato è composto per il 57% da percorsi urbani, per il 25% da percorsi extraurbani e per il 18% da percorsi in autostrada. I valori di autonomia indicati si basano sullo studio del protocollo WLTP. Possono variare in funzione delle condizioni reali di utilizzo e di diversi fattori quali: la velocità, il comfort termico a bordo del veicolo, lo stile di guida e la temperatura esterna. 

** Dati relativi al terzo trimestre del 2020 pubblicati dall’ACEA, Associazione europea dei costruttori automobilistici

Diritti d'autore: Pagecran, Olivier Martin-Gambier, Yann Lefebvre (DPPI Media), Nicolas Lascourreges (La Company)