Le auto a idrogeno rappresentano una delle tecnologie più promettenti per il futuro della mobilità sostenibile, offrendo un'alternativa a emissioni zero ai veicoli tradizionali a combustione interna e ai veicoli elettrici a batteria. Con la crescente attenzione verso la riduzione delle emissioni e l'adozione di tecnologie innovative, i veicoli a idrogeno stanno guadagnando terreno come alternativa alle auto elettriche a batteria.

Idrogeno come fonte di energia: il principio di funzionamento

Le auto a fuel cell idrogeno sfruttano l'idrogeno come fonte principale di energia. A differenza dei motori a combustione interna che bruciano carburanti fossili, le celle a combustibile combinano l'idrogeno con l'ossigeno per produrre elettricità, con l'acqua come unico sottoprodotto. Questo processo elettrochimico avviene all'interno della pila a combustibile (fuel cell stack), il cuore del sistema di propulsione a idrogeno.

Il motore di trazione elettrico è alimentato dall’elettricità generata all’interno della pila a combustibile. È l’elemento cruciale, il cuore in cui si verifica la trasformazione dell’idrogeno, immagazzinato in un serbatoio ad alta pressione, circa 700 bar, in elettricità. Si tratta del processo di trasformazione fondamentale, nel quale i costruttori lavorano per ottenere un’efficienza sempre maggiore di trasformazione dell’idrogeno in elettricità. La produzione di elettricità, partendo dall’idrogeno (che è un vettore di energia) avviene mediante una reazione elettrochimica tra idrogeno allo stato gassoso e aria. La compattezza della pila a combustibile è tale da poter essere ospitata sotto al cofano motore classico. La fuel cell stack si compone di singole celle, che operano in serie e, ciascuna, con una tensione di 1 volt. La tensione prodotta dalle 370 celle è amplificata fino a 650 volt, con un booster esterno alla pila a combustibile.

Componenti chiave di un'auto a idrogeno

Un'auto a idrogeno è composta da diversi elementi fondamentali:

  • Serbatoi di idrogeno: Stoccano l'idrogeno gassoso ad alta pressione (circa 700 bar). Al pari dell'alimentazione a metano, infatti, le bombole devono avere un determinato spessore per resistere ai cosiddetti "cicli di fatica". Il GFRP (acronimo di Glass Fiber Reinforced Polymer) rappresenta il materiale di rivestimento esterno ed è un particolare tipo di fibra di vetro molto resistente. Ben conosciuta nel mondo delle supercar e delle hypercar, la fibra di carbonio è uno dei materiali che meglio può rappresentare il compromesso ideale tra leggerezza e solidità di utilizzo.
  • Pila a combustibile (Fuel Cell): È il cuore del sistema, dove avviene la reazione elettrochimica tra idrogeno e ossigeno per produrre elettricità. È composta da due elettrodi, anodo e catodo, separati da una membrana elettrolitica. Esternamente allo strato di diffusione, sul polo positivo, è applicato il canalizzatore d’aria ed estrattore dell’acqua prodotta dalla reazione elettrochimica tra idrogeno e ossigeno. La conformazione della superficie esterna è fondamentale perché si abbia una diffusione uniforme dell’aria sull’intera cella e vengano eliminati residui d’acqua. L’idrogeno contenuto nei serbatoi alimenta la fuel cell stack. I protoni attraversano la membrana elettrolitica - tale da consentire solo ed esclusivamente il passaggio dei protoni - e, sul catodo (+), si legano nuovamente con gli elettroni e reagiscono con l’ossigeno presente nell’aria aspirata dallo strato di diffusione. Il protone e il neutrone che formano lo ione H+ si combinano con l'ossigeno e vengono smaltiti dalla fuel cell sotto forma di acqua. Il calore in eccesso viene infine dissipato, in quantità inferiore rispetto alle auto con motori a benzina e a gasolio, come del resto avviene anche sulle auto elettriche a batteria BEV (Battery Electric Vehicle).
  • Motore elettrico: Utilizza l'elettricità prodotta dalla pila a combustibile per azionare le ruote del veicolo. Le automobili a idrogeno utilizzano lo stesso motore delle auto elettriche.
  • Batteria (opzionale): Alcune auto a idrogeno sono dotate di una piccola batteria che funge da buffer di energia, immagazzinando l'elettricità prodotta dalla pila a combustibile e fornendo potenza extra in caso di necessità.
  • Sistema di controllo: Gestisce il funzionamento dell'intero sistema, ottimizzando l'efficienza e garantendo la sicurezza.

Vantaggi delle auto a idrogeno

Le auto a idrogeno offrono una serie di vantaggi rispetto ai veicoli tradizionali e ai veicoli elettrici a batteria:

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  • Zero emissioni: L'unico sottoprodotto del funzionamento è l'acqua, eliminando le emissioni di gas serra e altri inquinanti atmosferici. Mobilità a zero emissioni.
  • Rifornimento rapido: Il rifornimento di idrogeno richiede pochi minuti, simile al rifornimento di benzina o diesel. Rifornimento rapido presso una stazione a idrogeno.
  • Autonomia elevata: Le auto a idrogeno possono percorrere lunghe distanze con un singolo rifornimento, paragonabile o superiore a quella delle auto a benzina. Autonomia di guida per lunga percorrenza.
  • Purificazione dell’aria: Alcuni modelli, come la Hyundai NEXO, sono dotati di sistemi di filtraggio che purificano l'aria durante il funzionamento. Addirittura, mentre è in movimento migliora la qualità dell’aria intorno a sé. Infatti, il filtro di NEXO rimuove le microparticelle presenti e fornisce aria purificata al sistema fuel cell che ne necessita per il suo funzionamento. L’aria inutilizzata viene espulsa all’esterno.
  • Maggiore efficenza energetica: Le celle a combustibile a idrogeno garantiscono un’efficienza energetica superiore rispetto ai motori a combustione tradizionali.

Svantaggi e sfide

Nonostante i numerosi vantaggi, le auto a idrogeno devono ancora superare alcune sfide per una diffusione su larga scala:

  • Costo elevato: Le auto a idrogeno sono attualmente più costose rispetto ai veicoli tradizionali e ai veicoli elettrici a batteria.
  • Infrastruttura limitata: La rete di stazioni di rifornimento di idrogeno è ancora limitata, il che rende difficile l'utilizzo di auto a idrogeno in molte aree.
  • Produzione di idrogeno: La produzione di idrogeno può essere costosa e ad alta intensità energetica, a meno che non venga prodotta da fonti rinnovabili.
  • Efficienza complessiva: L'efficienza complessiva del ciclo di vita dell'idrogeno (produzione, trasporto, stoccaggio e utilizzo) è inferiore a quella dei veicoli elettrici a batteria. Infatti, le reazioni di combustione dell'idrogeno all'interno di un motore a scoppio avvengono a elevate temperature, emettendo in particolare ossidi di azoto NOx, che sono nocivi per la salute. Sebbene una parte venga recuperata dal tradizionale sistema di recupero dei vapori di olio per essere inviato nuovamente in camera di combustione, un'altra parte finisce in atmosfera passando dall'impianto di scarico.

Modelli di auto a idrogeno disponibili

Nonostante le sfide, diverse case automobilistiche hanno già lanciato modelli di auto a idrogeno sul mercato:

  • Toyota Mirai: È tra i pochi modelli di auto elettrica a idrogeno disponibili in serie sul mercato. Un esempio è la Toyota Mirai, con celle a combustibile alimentate ad idrogeno, che garantisce una mobilità a zero emissioni e un’autonomia di guida fino a 650 km. Toyota Mirai è tra i pochi modelli di auto elettrica a idrogeno disponibili in serie sul mercato. Il “come” funziona la fuel cell è in un processo elettrochimico alimentato da un vettore d’energia, l’idrogeno. Diversi sensori di misurazione della pressione e della temperatura verificano la presenza di eventuali perdite nella fase del rifornimento, dalla pompa al serbatoio.
  • Hyundai NEXO: Un altro esempio è quello della Hyundai NEXO, un SUV fuel cell con un’autonomia di guida di 666 km (WLTP).
  • Riversimple Rasa: Una citycar prodotta da una piccola azienda gallese, con una velocità stimata di 100 km/h, un tempo di ricarica di circa 3 minuti e un’autonomia fino a 480 km.
  • Hopium Machina: Una berlina francese che offre 1000 km di autonomia con un solo serbatoio e impiega 3 minuti a fare il pieno, con una potenza di più di 500 CV e una velocità massima di 230 km/h.

In particolare, i primi prototipi di autoveicoli a fuel cell risalgono al 2019, sviluppati dall’azienda coreana Hyundai e dalla giapponese Toyota. Tuttavia, da allora questa tecnologia si è rapidamente sviluppata e oggi quasi tutte le principali case automobilistiche propongono i loro modelli di veicoli a idrogeno.

Altre tipologie di veicoli a idrogeno

Oltre alle automobili, la tecnologia a idrogeno viene utilizzata anche in altre tipologie di veicoli:

  • Furgoni elettrici fuel cell di medie dimensioni: Esempi sono Citroën Jumpy, Peugeot Expert e Opel Vivaro, che utilizzano la tecnologia di Stellantis, oppure il Renault HYVIA. Autonomia elevata, rapidità di rifornimento e zero emissioni sono le principali caratteristiche dei furgoni elettrici fuel cell di medie dimensioni. Il tutto mantenendo inalterata la capacità di carico. Ad esempio, Stellantis ha sviluppato una soluzione a celle a combustibile a idrogeno a zero emissioni che accorpa in un veicolo elettrico a celle a combustibile (FCEV) i vantaggi delle celle a combustibile a idrogeno a quelli della tecnologia delle batterie elettriche. In particolare, Stellantis ha progettato un’architettura mid-power che offre un’autonomia superiore ai 400 chilometri e un tempo di rifornimento di soli 3 minuti. L’idrogeno fornisce l’energia necessaria per una percorrenza così estesa, mentre una batteria di media capacità garantisce la potenza per prestazioni dinamiche, oltre al recupero di energia e alle capacità plug-in. Anche Renault ha sviluppato una gamma di veicoli a celle a combustibile a idrogeno. Si tratta di HYVIA, una soluzione a emissioni zero alimentata da idrogeno verde, pensata per una mobilità professionale sostenibile. In particolare, la combinazione dell’idrogeno verde con la tecnologia delle celle a combustibile PEM (membrana a scambio protonico) genera l’elettricità necessaria per alimentare il motore e ricaricare la batteria del veicolo. La reazione chimica non emette sostanze inquinanti e genera solo acqua. Questa tecnologia offre il vantaggio di tempi di rifornimento rapidi (pochi minuti) e maggiore autonomia (fino a 400 km).
  • Camion a idrogeno: Il primo autocarro pesante a celle a combustibile al mondo è stato lo Xcient Fuel Cell, lanciato nel 2020 da Hyundai. I camion XCIENT Fuel Cell che saranno consegnati in Germania sono dotati di un sistema di celle a combustibile a idrogeno da 180 kW con due pile di celle a combustibile da 90 kW. Il motore elettrico da 350 kW con coppia massima di 2.237 Nm consente prestazioni di guida dinamiche. I sette serbatoi di idrogeno di XCIENT Fuel Cell offrono una capacità di stoccaggio combinata di circa 31 kg di carburante, mentre un set di tre batterie da 72 kWh agisce da ulteriore fonte di energia.

Toyota e l'idrogeno: un impegno per il futuro

Toyota è una delle case automobilistiche più impegnate nello sviluppo della tecnologia a idrogeno. Oltre alla Mirai, Toyota sta esplorando diverse applicazioni dell'idrogeno, tra cui:

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  • Motori a combustione interna a idrogeno: Toyota sta sviluppando motori a combustione interna che utilizzano l'idrogeno come combustibile, offrendo un'alternativa alle celle a combustibile. Chi ha provato a rispondere a questa domanda è stato il gigante dell’automotive giapponese Toyota, che negli ultimi anni ha iniziato a mettere a punto un motore ad acqua. Lo sviluppo di un motore ad acqua si inserisce dunque a pieno titolo in questo “nuovo corso” di Toyota, proiettato verso un futuro più pulito e sostenibile. Nella maggior parte dei motori a idrogeno si sfrutta un sistema di raffreddamento ad aria, ma nel nuovo propulsore ad acqua di Toyota si è deciso piuttosto di adottare un sistema di raffreddamento che usa il liquido per dissipare il calore generato nelle camere di combustione. Questo approccio non solo permette al motore di raggiungere temperature estreme (che possono raggiungere fino a 2500°C, paragonabili a quelle di un altoforno), ma consente anche di utilizzare materiali più leggeri, come l’alluminio, al posto dell’acciaio per la costruzione del blocco motore e della testata. Toyota ha inoltre iniziato ad innovare il mercato con un’altra novità importante, vale a dire un sistema di doppia iniezione per l’idrogeno. Se infatti molti motori tradizionali utilizzano una sola modalità di iniezione, questa tecnologia combina l’iniezione diretta nel cilindro con l’iniezione indiretta nel collettore di aspirazione. Questo consente di ottimizzare la combustione dell’idrogeno a ogni regime del motore. L’iniezione diretta garantisce una combustione completa alle alte velocità, mentre quella indiretta permette di adattare la miscela alle necessità del motore in altre condizioni. Tale motore a tre cilindri sfrutta dunque l’idrogeno come elemento combustibile, pur mantenendo un principio di funzionamento simile a quello dei classici motori a benzina tradizionali (che, come sappiamo, sono tremendamente inquinanti). Tale motore turbo a tre cilindri è da 1.618 cm³ ed è alimentato con idrogeno compresso. Siamo ad ogni modo ancora in una fase piuttosto sperimentale, nel senso che dopo i primi test sopra citati questo tipo di motore è stato utilizzato per ora solo nell’ambito di alcune competizioni sportive, proprio allo scopo di valutarne l’efficacia. Il livello di emissioni: il motore ad acqua Toyota si distingue ovviamente per il suo significativo contributo nella riduzione dei gas serra.
  • Idrogeno liquido: Toyota sta sperimentando l'utilizzo di idrogeno liquido come carburante per le auto da corsa, con l'obiettivo di sviluppare tecnologie per il futuro dei veicoli commerciali. Se il 2023 ha inaugurato la sperimentazione in casa Toyota per i primi sistemi di propulsione ad idrogeno liquido, quest’anno la casa nipponica ha deciso di raccogliere i frutti di tanta lena, presentando un primo prototipo da corsa. Quale miglior palcoscenico per dare un segnale forte al mercato se non quello degli sport motoristici. E così in vista della 24 Ore di Le Mans, Toyota Gazoo Racing ha presentato la GR LH2 Racing Concept, un hypercar erede della GR H2 Concept. La differenza sta proprio il quella “L” aggiuntiva del nome, che segna appunto il passaggio da un propulsore ad idrogeno gassoso, ad uno riadattato per propellente liquido. Il mondo dei motorsport è da sempre precursore delle tecnologie che riguardano il futuro delle vetture commerciali, indicando quale sia la strada dell’evoluzione e del progresso delle auto che guideremo un domani. Toyota si propone in questo modo come punto di riferimento per un nuovo corso tecnologico che rivede assetti economici e non solo.
  • Anche Lexus, il marchio di lusso di Toyota, guarda con interesse alla tecnologia a fuel cell idrogeno. Il 2025 rappresenta un anno chiave per il futuro delle autovetture a idrogeno. Toyota punta a una diffusione su larga scala, grazie a collaborazioni con altre case automobilistiche come BMW.

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