Auto a idrogeno, fuel cell e ricambi: come funzionano e quali prospettive per l’aftermarket

Le auto a idrogeno saranno il futuro della mobilità facendosi largo tra le altre tecnologie? Nessuno ha la “sfera di cristallo”, ma che in molti comincino a crederci veramente – e a investire cifre enormi in tal senso – è un dato di fatto. Per comprendere le potenzialità delle auto a idrogeno va approfondito in primo luogo come funzionano le fuel cell, le celle a combustibile, e quali sono le differenze e i vantaggi rispetto alle batterie al litio dei veicoli elettrici. Le celle a combustibile sono infatti alla base della mobilità a idrogeno dal momento che in esse avviene l’ elettrolisi inversa tra idrogeno e ossigeno, cioè la reazione che produce l’energia elettrica necessaria ad alimentare il motore elettrico (lo stesso delle auto elettriche) del veicolo. L’idrogeno è immagazzinato nel serbatoio presente sull’auto, mentre l’ossigeno proviene dall’aria esterna: l’ elettrolisi che avviene all’interno della cella combustibile produce energia elettrica, calore e acqua, che esce dallo scarico come vapore acqueo, rendendo l’auto a idrogeno assolutamente ecologica e a zero emissioni.

Auto a idrogeno: quali sono

A scommettere sull’idrogeno era stata anni fa la casa nipponica Toyota, con il suo “patron”, Akio Toyoda, che controcorrente aveva manifestato un certo scetticismo sulla diffusione “globale” dell’elettrico puro (BEV) – legato anche ai problemi infrastrutturali della ricarica – e aveva iniziato a percorrere in maniera decisa non solo la strada dell’ibrido ma anche delle fuell cell a idrogeno. Oggi la Toyota Mirai con tecnologia Fuel Cell è uno dei modelli a idrogeno già disponibili sul mercato, con una autonomia fino a 650 km e un prezzo di fascia alta.

Anche BMW si è sempre tenuta aperta la porta dell’idrogeno, con una vettura come la BMW iX5 Hydrogen che è già su strada, equipaggiata con due serbatoi idrogeno che rendono possibile un’autonomia superiore ai 500 km. I costruttori cinesi – sempre più decisi a conquistare sia il mercato domestico che quelli esteri – non sono rimasti a guardare e stanno lanciando le prime motorizzazioni a idrogeno. L’anno scorso è stata lanciata la Changan Deep Blue SL03, la prima auto a celle combustibile a idrogeno prodotta in serie in Cina. Se la risposta del mercato sarà positiva c’è da aspettarsi una forte accelerazione della mobilità a idrogeno.

Celle a combustibile: come funzionano e quali sono le differenze rispetto alle batterie dell’ auto elettrica

Le auto idrogeno sono identificate dalla sigla FCEV (Fuel Cell Electric) che le distingue dalle auto elettriche a batteria, le cosiddette BEV (Battery Electric Vehicle). Sia le FCEV che le BEV hanno un motore elettrico, ma la principale differenza è che nelle auto a idrogeno l’energia elettrica viene prodotta dalle celle combustibile (fuel cells), come fosse una piccola centrale elettrica, mentre nelle auto elettriche l’energia arriva dal pacco di batterie al litio che vengono ricaricate collegandole ad una presa elettrica esterna e in parte attraverso la frenata rigenerativa. I veicoli a idrogeno producono quindi da sè l’energia elettrica e non devono prenderla dalle batterie come accade nelle elettriche o ibride.

L’idrogeno caricato nel serbatoio viene dunque trasformato in corrente elettrica che può:

• alimentare direttamente il motore elettrico del veicolo
• ricaricare una batteria, molto più piccola e leggera rispetto al pacco batterie dei veicoli elettrici, che fa da accumulatore per la trazione. Questa batteria da trazione dei veicoli a idrogeno viene caricata anche dalla frenata rigenerativa.

In quanto tempo si carica il serbatoio di un’ auto a idrogeno?

Il tempo richiesto per riempire di idrogeno il serbatoio di un veicolo dipende dai vari modelli ma resta nell’ordine di qualche minuto, non discostandosi molto quindi da un normale pieno di carburante. È dunque evidente il vantaggio rispetto alla ricarica di un auto elettrica, che sebbene sia più veloce rispetto al passato resta ancora una fattore critico che frena la diffusione delle BEV, in particolare in quei mercati dove le infrastrutture di ricarica sono carenti. Va detto che il rifornimento di idrogeno necessita di speciali distributori e quindi di un’infrastruttura di distribuzione dedicata, che può tuttavia coesistere con ricariche elettriche e pompe carburante.

Autonomia di un’auto a idrogeno e costo di un pieno

Per quanto riguarda l’autonomia delle auto a idrogeno, i pochi modelli di auto a idrogeno attualmente in circolazione dimostrato valori che si aggirano intorno ai 500-600 chilometri con un pieno (di circa 5kg di idrogeno), in linea quindi con i veicoli elettrici. Un discorso a parte va fatto per il costo dell’idrogeno che attualmente è di circa 13 euro euro al kg, anche se i prezzi possono variare di qualche euro. I costi di rifornimento non si discostano quindi molto dalle auto alimentate con benzina o diesel. Tuttavia, in futuro, i prezzi dovrebbero scendere significativamente nel momento in cui la diffusione di veicoli a idrogeno farà avviare una sua produzione e distribuzione di massa e capillare, rendendo questi veicoli convenienti. Si stima infatti che nel 2030 il prezzo di un kg di idrogeno potrebbe arrivare ad un terzo del prezzo attuale.

Auto a idrogeno: aspetti critici

Un fattore di criticità dell’idrogeno è l’alta infiammabilità di questo elemento che potrebbe innescare una reazione fuori controllo in contatto con l’ossigeno. Per ragioni di sicurezza l’idrogeno viene quindi immagazzinato in forma gassosa nei serbatoi dei veicoli. Quest’ultimi sono stati progettati utilizzando materiali e spessori che impediscono la fuoriuscita di idrogeno anche in caso di incidenti estremamente violenti e i numerosi crash test a cui sono stati sottoposti ne confermano per il momento la sicurezza. Altro elemento critico è il trasporto e lo stoccaggio dell’idrogeno, più dispendioso rispetto agli altri carburanti. L’idrogeno, a differenza del petrolio, può tuttavia essere prodotto ovunque, anche come residuo di altri processi chimici-produttivi, e questo può compensare almeno in parte tali costi.

Il platino dei catalizzatori ha costi alti

A far alzare i prezzi delle auto a idrogeno è anche l’utilizzo del platino come catalizzatore per produrre corrente. Sebbene i quantitativi necessari di questo metallo prezioso si siano ridotti – grazie all’evoluzione tecnologica delle fuel cells – il suo prezzo resta comunque elevato ed incide sul costo complessivo di produzione.

Filtri auto a idrogeno: si apre un nuovo capitolo

La tecnologia celle a combustibile ha imposto sfide molto importanti soprattutto sul versante della filtrazione . Il filtro aria catodo fuell cell gioca infatti un ruolo strategico nel purificare l’aria immessa nel sistema come comburente della cella, dove l’ossigeno presente reagisce con l’idrogeno mediante una reazione elettrochimica in grado di produrre energia elettrica.

L’aria immessa nel sistema, prima di arrivare al compressore e poi alla cella, necessita infatti di essere efficacemente filtrata non solo dal particolato, ma anche da gas nocivi come SOX, NOX, H2S, CO, O3 e NH3 e dai VOC (Composti Organici Volatili), quali ad esempio, benzene e toluene. Questi gas, generalmente prodotti di combustione e derivati dal petrolio, sono altamente dannosi per la fuel cell. Le particelle di polvere possono infatti depositarsi sulle membrane delle celle e i gas possono corrodere e danneggiare il catalizzatore.

La filtrazione dell’aria nelle celle a combustibile è dunque ancora più determinante rispetto alla filtrazione aria dei motori endotermici, in considerazione del fatto che – come dimostrato da recenti studi – anche quantità estremamente basse di particelle gassose (si parla non solo di PPM – parti per milione, ma addirittura di PPB – parti per miliardo) possono drasticamente ridurre le prestazioni e la durata di una cella. Questo a causa di diversi fattori tra i quali, determinante, risulta la contaminazione del catalizzatore, componente fondamentale della fuel cell che è costituito essenzialmente dal costoso Platino (o altri metalli preziosi). La presenza di impurità può dunque comprometterne prestazioni e durata della cella. Anche il compressore è inoltre molto sensibile ai contaminanti solidi dell’aria che possono comprometterne le prestazioni.

Nuove tecnologie filtranti per le celle a combustibile

Sono state pertanto sviluppate soluzioni filtranti in grado di capaci di filtrare con la massima efficienza il particolato solido e assorbire al contempo i contaminati gassosi, preservando in tal modo la durata delle celle combustibile e del compressore. Tra queste soluzioni si trovano filtri aria catodo a pannello o cartucce cilindriche con doppia funzione di filtrazione. La selezione dei media filtranti per il sistema di filtraggio dell’aria del catodo di una cella a combustibile è molto critica e per questo, tra le varie soluzioni, sono stati sviluppati particolari media filtranti costituiti da supporti sintetici o in tessuto non tessuto miscelato con carbone attivo.

I filtri auto a idrogeno sono inoltre dotati di uno strato antiparticolato che trattiene le particelle dell’aria di aspirazione, mentre gli strati carbone attivo assorbono i gas nocivo. Sono stati sviluppato anche filtri a scambio ionico che rimuovono gli ioni positivi e negativi dal liquido di raffreddamento, mantenendo una bassa conduttibilità del fluido per evitare cortocircuiti nello stack della cella a combustibile. Un altro importante filtro è il filtro antiparticolato del refrigerante che, eliminando le impurità presenti nel refrigerante, previene l’ostruzione dei condotti di raffreddamento delle celle a combustibile

Ricambi per le auto a idrogeno

L’auto a idrogeno, come si è visto, è sostanzialmente un’ auto elettrica senza il pesante battery pack da ricaricare. Motore elettrico, inverter, gestione elettronica e altri organi elettrici rimangono sostanzialmente gli stessi, e pertanto anche i principali ricambi sono gli stessi delle auto elettriche. Un ruolo determinante ha la gestione termica del motore elettrico e della batteria intermedia di trazione, a cui sono associati specifici componenti che devono funzionare con la massima efficienza: coolers, refrigeratori (chillers), condensatori raffreddati a liquido, scambiatori di calore per e-axle, coolant heaters, essiccatori-accumulatori, ecc. Come nei veicoli elettrici, manca invece tutta la parte meccanica legata a motore endotermico, e quindi anche i ricambi associati a distribuzione, accensione e iniezione, trasmissione.

Anche sul versante manutenzione, il tagliando di un’auto a idrogeno, sia come interventi che come costo, non dovrebbe discostarsi molto dal tagliando di un’auto elettrica