Auto a idrogeno

di Domenico Coiante.

Su Affari&Finanza di “La Repubblica” del 16/10/2017 è comparso un articolo di Fabio Orecchini sulla sperimentazione, in quel di Bolzano, di due auto elettriche a idrogeno della casa automobilistica giapponese Honda, modello Clarity. Si tratta di far circolare nel contesto provinciale due auto elettriche alimentate con idrogeno mantenuto nel serbatoio di bordo alla pressione di 700 bar ed elettricità prodotta direttamente sulle vetture mediante l’uso di celle a combustibile. E’ messo in risalto il fatto che l’autonomia dell’autovettura raggiunge i 650 chilometri. Come nella migliore tradizione, l’idrogeno è prodotto in modo ecologico mediante elettrolisi dell’acqua con elettricità fotovoltaica. La produzione del gas e lo stoccaggio a 1000 bar avviene direttamente presso la stazione stradale che rifornisce le macchine.

La notizia è degna di rilevanza perché essa corona un lungo percorso di sforzi, iniziato negli anni ’80, per passare ad un sistema di trasporto realmente a emissioni zero durante tutto il ciclo di produzione ed utilizzo dell’energia. Indubbiamente si è raggiunto un importante risultato tecnico, che è la premessa indispensabile per il conseguimento del traguardo finale: la diffusione su grande scala di questa nuova modalità di trasporto. Ciò potrà avvenire solo quando anche altri aspetti di competitività, primi fra tutti quelli economici e non ultimi quelli di bilancio energetico, saranno adeguatamente curati. A questo proposito, vale la pena di ricordare brevemente i vari passi del processo che parte dalla produzione ecologica dell’idrogeno, passa per la sua trasformazione in elettricità e termina con la potenza meccanica fornita dal motore elettrico alle ruote dell’autovettura.

Il primo stadio consiste nella produzione di energia elettrica pulita mediante conversione fotovoltaica della luce solare. Il secondo passo prevede la produzione dell’idrogeno gassoso per elettrolisi dell’acqua utilizzando l’elettricità fotovoltaica. Nel terzo stadio l’idrogeno è compresso fino ad una pressione di circa 1000 bar e mantenuto in appositi contenitori a terra, da cui può successivamente passare nel serbatoio dell’autovettura alla pressione di 700 bar. Il quarto stadio consiste nella combustione catalitica (senza fiamma) dell’idrogeno per la produzione a bordo d’energia elettrica in una cella a combustibile. Finalmente nel quinto stadio l’elettricità è trasformata mediante motore elettrico nella potenza meccanica motrice che va ad azionare le ruote.

Si può notare subito che il processo di produzione della potenza meccanica è molto più lungo di quello analogo di una macchina convenzionale in cui l’energia chimica del combustibile è trasformata in forza motrice mediante un solo passaggio nel motore endotermico.  In questo caso, la lunghezza della catena, di per sé, rende conto delle complesse difficoltà tecniche che si sono affrontate e risolte durante il corso dei decenni trascorsi, ma ancora maggiore consapevolezza si acquisisce se si segue il flusso dell’energia, dalla radiazione solare alle ruote motrici. E ciò consente di comprendere le ulteriori difficoltà che questa tecnica si accinge ad affrontare.

Facciamo riferimento al seguente schema  del flusso energetico:

• L’energia primaria è attinta dalla radiazione luminosa e trasformata in elettricità mediante la conversione fotovoltaica. In accordo con il principio di conservazione dell’energia, il processo mostra un rendimento energetico h₁ inferiore all’unità.
• L’energia elettrica fotovoltaica alimenta un apparecchio per l’elettrolisi dell’acqua, che produce idrogeno gassoso puro a pressione atmosferica, o poco più alta. In questo stadio avviene la trasformazione dell’elettricità fotovoltaica in energia chimica dell’idrogeno. Sia h₂ < 1 il rispettivo rendimento energetico.
• Il gas è fatto fluire in un compressore per portarlo alla pressione di circa 1000 bar in modo da aumentare la sua densità energetica così da poterlo immagazzinare e commercializzare in appositi serbatoi a 700 bar. La spesa energetica del processo fa sì che esista un ulteriore rendimento h₃ < 1.
• L’idrogeno fluisce poi, alla pressione voluta, in una cella a combustibile, dove esso subisce la combustione catalitica (senza fiamma) ricombinandosi con l’ossigeno atmosferico per formare acqua. Durante questo processo, inverso a quello elettrolitico, l’energia chimica è trasformata nuovamente in elettricità con un rendimento energetico h₄ < 1.
• L’energia elettrica così prodotta è usata per alimentare l’apparato motore elettrico – ruote motrici dell’autovettura. In quest’ultimo stadio l’energia elettrica subisce la trasformazione finale in potenza meccanica alle ruote con il relativo rendimento h₅ < 1.

In ultima analisi, l’energia solare è trasformata dapprima in elettricità e poi questa in energia chimica, che successivamente diviene nuovamente energia elettrica. Questa a sua volta si trasforma in energia meccanica ad opera del motore elettrico. Come visto, ciascuna trasformazione avviene con uno specifico rendimento inferiore all’unità, per cui il rendimento energetico totale h sarà dato dal prodotto dei singoli rendimenti e di conseguenza sarà molto minore dell’unità: Si avrà perciò:

h = h₁ × h₂ × h₃ × h₄ × h₅ << 1

In definitiva il nostro processo complessivo vede in entrata i kWh solari e fornisce in uscita i kWh meccanici. Per ogni kWh solare che entra sono restituiti h (<<1) kWh meccanici. E’ del tutto evidente che questa situazione di basso rendimento energetico rende molto problematico il bilancio dell’EROEI (Energy Return On Energy Investment) , cioè del ritorno d’energia rispetto a quella investita. Una stima accurata in tal senso richiederebbe la conoscenza dell’energia impiegata nella costruzione delle apparecchiature dei vari stadi che compongono la catena, operazione che qui non siamo in grado di compiere. Tuttavia, dal momento che l’autovettura  a idrogeno è proposta sul mercato, facciamo un atto di fiducia: assumiamo che tale bilancio sia stato fatto dall’industria e che esso abbia avuto esito positivo. A questo punto possiamo passare agli aspetti economici.

Nella catena di trasformazione di un prodotto i costi degli stadi successivi si aggiungono al costo dovuto al primo stadio. Il costo finale sarà quindi uguale alla somma di tutti i contributi. Esso dipenderà poi in ragione inversa dal rendimento complessivo della catena, dovendo tener conto di tutte le perdite introdotte dai singoli stadi. Detto in termini approssimati, il costo finale del prodotto è tanto più alto quanto più basso sarà il rendimento della catena.

Pertanto, per stimare il costo finale del nostro prodotto dovremmo conoscere, sia i costi di tutte le apparecchiature di trasformazione, sia il rendimento di ciascuno stadio. Mentre quest’ultimo aspetto è un dato tecnico alla nostra portata, per conoscere i costi delle apparecchiature si richiederebbe un’indagine commerciale di non facile esecuzione. D’altra parte, per il senso relativo delle considerazioni che ci accingiamo a fare possiamo ignorare l’aspetto dei costi, con l’avvertenza che essi, qualora fossero presi in esame, aggiungerebbero un peggioramento della situazione.

Poniamoci nelle migliori condizioni tecnologiche attuali e proviamo a stimare il rendimento nel nostro caso, ricordando che il prodotto trattato consiste nell’unità di energia, cioè il kWh.

1 – Fotovoltaico:                               h₁ @ 15 ÷ 18%

2 – Elettrolisi:                                     h₂ @ 70 ÷ 75%

3 – Compressione:                          h₃ @ 90%

4 – Cella a combustibile:                h₄ @ 50 ÷ 55%

5 – Motore elettrico:                      h₅ @ 90%

6 – Rendimento complessivo:    h @ 4,2 ÷ 6,0%

In base alla regola empirica precedente, se consideriamo uguale ad uno il costo di produzione del kWh fotovoltaico, il costo finale del kWh meccanico fornito alle ruote risulta maggiorato di un fattore 24 nel caso peggiore e 17 nel caso migliore. Diamo per acquisito che il costo attuale del kWh fotovoltaico abbia oggi raggiunto la competitività, cioè si venga a trovare intorno ai 10 centesimi (considerati i benefici ambientali riconosciuti). Questo costo aumenta lungo la catena di trasformazione e ciò comporta che esso contribuisca al kWh meccanico alle ruote dell’autovettura per una quota di costo pari a 1,7 ÷ 2,4 €.

Una vettura utilitaria a benzina oggi riesce a percorrere in media circa 20 km con un litro. Dato il potere calorifico inferiore della benzina, pari a circa 9kWh/litro, e considerato il rendimento medio dell’apparato motore pari a circa il 25%, ogni litro al serbatoio dà luogo a 9×0,25 = 2,2 kWh alle ruote. Quindi ogni kWh meccanico alle ruote permette di percorrere circa 9 km e questo dato è da considerare all’incirca costante per tutte le autovetture.

Un litro di benzina costa all’utente circa 1,55 €, di conseguenza il costo dell’energia alle ruote sarà pari a circa 0,77 €/kWh. Poiché ogni kWh meccanico fornito alle ruote produce un percorso di circa 9 km, il costo di percorrenza dovuto alla benzina sarà pari a 0,085 €/km.

Nel caso della vettura elettrica a idrogeno abbiamo visto che il contributo di costo dell’energia primaria fotovoltaica incide sul kWh meccanico alle ruote per 1,7 € nel caso migliore e 2,4 nel caso peggiore. Ciò corrisponde ad un costo chilometrico che va nei due casi da circa  0,19 € a 0,27 €, cioè la quota di costo dovuta al solo aspetto energetico risulta più alta di un fattore da 2,2 a 3,2.

Ricordando che questo risultato è approssimato per difetto in quanto nella realtà dobbiamo aggiungere il contributo di costo dovuto alle apparecchiature della catena di trasformazione, ne segue che il bilancio economico dell’impresa è fortemente deficitario. Si conclude che, economicamente parlando, il gioco non vale la candela.

Diverso appare il discorso dal punto di vista politico. Infatti se ammettiamo che sia indispensabile e urgente intervenire sul sistema dei trasporti per riportare sotto controllo la crisi climatica (vedi smog nella pianura padana di questi giorni), allora il disavanzo economico può essere fatto rientrare sotto l’aspetto dei benefici ambientali. In questo caso impellente gli aspetti economici passano in secondo piano e l’auto elettrica a idrogeno si dimostra tecnicamente pronta per contribuire fortemente al risanamento ambientale.

La domanda è: “Siamo pronti a questa acquisizione concettuale?”

I Paesi che hanno aderito all’accordo dell’ONU sul clima sono avviati in tal senso e l’amministrazione Obama aveva suscitato molte speranze di arrivare ad una fase operativa a livello mondiale. Purtroppo l’attuale amministrazione Trump si sta muovendo in senso contrario, avendo manifestato non solo la volontà di uscire dagli accordi, ma anche di promuovere una politica energetica favorevole al maggiore uso del carbone con buona pace della necessità di decarbonizzare gli usi energetici. Se questa è la politica assunta dagli USA, cioè dal Paese-guida, che cosa ci dobbiamo aspettare dai Paesi che sono molto indecisi a partecipare agli accordi, come  quelli cosiddetti emergenti?

Stando così le cose, la risposta alla nostra domanda appare scontata.