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Dalla Formula 1 all’idrogeno

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Si è svolto poco prima del lockdown un importante convegno in Emilia Romagna sulle tecnologie idrogeno che rivoluzioneranno i veicoli ed il nostro modo di andare in auto

Forse pochi sanno che Enzo Ferrari, già prima della seconda guerra mondiale si era interessato all’idrogeno come combustibile per i motori delle vetture da competizione della scuderia Ferrari che, negli anni 30, faceva correre le Alfa Romeo col simbolo del Cavallino rampante. Da ex pilota, esperto di motori e da appassionato ricercatore di tutto ciò che era innovazione in campo motoristico, il Drake sapeva bene che l’idrogeno ha un potere calorifico tre volte superiore a quello della benzina, a parità di peso.

I suoi avversari di allora, le Auto Union della Germania nazista, stavano per impiegare l’idrogeno anche nelle corse (oltre che sui dirigibili transoceanici Zeppelin). Ferrari attivò una sperimentazione segreta sull’impiego di questo gas nei motori. Che però rimase una semplice esplorazione, dato che i regolamenti di allora ne esclusero l’utilizzo in gara per l’incidente ad un dirigibile tedesco (che non fu causato dall’idrogeno, ma dall’attrito del rivestimento esterno infiammabile nel contatto con alcuni cavi della rete elettrica in una fase di atterraggio, vicino a New York).

E’ storia più recente che nei primi anni 90, diversi team, fra cui la stessa Ferrari avevano ottenuto sensibili incrementi di potenza in gara grazie all’idrogeno, aggiunto nella alimentazione dei motori mediante una emulsione che mescolava acqua alla benzina ad altissima temperatura. Anche in questo caso il regolamento di Formula 1 lo proibì quasi subito perché favoriva troppo alcuni team rispetto ai “garagisti” inglesi che partecipavano al campionato con i telai, ma non costruivano i motori.

Nel 1994 la Facoltà di ingegneria di Modena (il Dipartimento di ingegneria oggi prende il nome proprio da Enzo Ferrari) aveva cominciato ad interessarsi alla tecnologia idrogeno, dopo le prime notizie sui prototipi a idrogeno di alcune berline Bmw.

Per questi prototipi idrogeno tedeschi, i sistemi di trazione erano ancora basati su motori a combustione interna che venivano opportunamente trasformati per funzionare a idrogeno. Ma i processi “mangia-energia” per portare l’idrogeno a -253 °C allo stato liquido (fase scelta dai Tedeschi per accumulare più energia a bordo) restituivano scarsissimi rendimenti al veicolo nella catena energetica globale “dal serbatoio alle ruote”.

In quegli anni in Emilia nasceva anche il Master in ingegneria del veicolo con i primi Convegni internazionali sull’auto high-tech. Erano stati coinvolti nell’iniziativa i massimi esperti di automotive fra cui l’ing. Mauro Forghieri, direttore tecnico, per oltre 25 anni, del team Ferrari Formula 1 e vincitore di 12 mondiali, l’ing. Enzo Rossi, autore del libro “Andare a idrogeno” (da anni progettista automotive, già consulente Lamborghini nei primi anni 80 e successivamente Ferrari F1, con le prime sperimentazioni di particolari ceramico-compositi sui motori da competizione, ai tempi di Alain Prost e co-fondatore, poi coordinatore generale per 14 anni, della didattica del Master e dei Convegni “Automobili e motori high- tech“). Infine il prof. Attilio Garro, un luminare internazionale in tema di motori. Tutti estremamene attenti all’innovazione idrogeno e alle fuel cells (pile a combustibile) per la mobilità.

Il Master e il Convegno mondiale sull’innovazione dell’auto avevano avviato fecondi dialoghi tecnici sull’argomento idrogeno con le più importanti Case auto del Mondo. Soprattutto con i tecnici delle Case giapponesi e coreane che avevano cominciato a partecipare ai convegni sull’innovazione dell’auto portando dal Far-east i loro speechs innovativi proprio sulle fuel cells e l’idrogeno.

Ma perchè l’interesse verso l’idrogeno e le fuel cells ? E perchè oggi il mondo automotive sta registrando una progressiva, ma inarrestabile transizione dai motori a combustione interna alla trazione elettrica a idrogeno? Non solo per il problema delle zero emissioni e dei cambiamenti climatici, temi oggi al centro delle COP mondiali sull’ambiente.

Semplice. Alla base culturale di ogni ingegnere ci sono la chimica a la fisica, ma soprattutto c’è il Teorema di Carnot, con la sua famosa legge che regola i rendimenti energetici delle macchine ideali, e quindi di quelle reali.

Allora, un motore a combustione interna ha un rendimento max del 18-22 % a causa delle perdite in calore da attriti interni. Perciò alle ruote del veicolo arriva solo il 12-14 % dell’energia contenuta nel combustibile a causa di ulteriori perdite dovute alle trasmissioni meccaniche necessarie per scaricare la potenza a terra.

Proprio così. Le nostre auto “buttano via” l’86-88 % dell’energia contenuta per esempio nella benzina, nel gasolio o nel metano (combustibili che provengono dai pozzi di petrolio, quindi inquinanti e non rinnovabili).

Le fuel cells sono invece propulsori elettrochimici (pile alimentate da idrogeno senza attriti interni) quindi hanno un rendimento molto elevato, prossimo al 70% (circa 55% elettrico e 15% termico). Una vettura a idrogeno fuel cells è quindi elettrica (anche la trasmissione alle ruote è in prevalenza elettrica, con altissimi rendimenti ed emissioni zero). Per cui il rendimento globale o “vehicle” di un’auto a idrogeno fuel cells è del 37%. Circa 3 volte più elevato rispetto alle nostre attuali vetture.

In Italia, l’indiscusso pioniere delle fuel cells, questo propulsore elettrochimico a idrogeno che sta per trasformare la mobilità dell’intero Pianeta, è stato Angelo D’anzi. Nei primi anni 2000 l’ing. Mauro Forghieri aveva progettato e realizzato una vettura a idrogeno fuel cells per impieghi cittadini mentre l‘ing.Enzo Rossi, nel 2009, assieme ad alcuna aziende di componentistica elettrico-idrogeno, aveva realizzato un prototipo  dimostrativo di vettura sportiva con powertrain “idrogeno-fuel cells-supercapacitori” (unità funzionante didattica ma senza la carrozzeria completa, che è stata esposta a Rimini durante 10 edizioni della famosa fiera internazionale annuale green “Ecomondo-Keyenergy), frequentata da esperti provenienti da tutto il mondo.

Dopo la crisi economica mondiale, in particolare dal 2008 al 2012, le Case mondiali avevano accantonato, senza peraltro abbandonarlo del tutto, lo sviluppo dei loro prototipi a idrogeno fuel cells. La priorità in quegli anni era quella di “rimanere a galla” sui mercati mondali in crisi, vendendo prioritariamente le automobili classiche.

Dal 2013 l’interesse verso le tecnologie a fuel cells idrogeno si è riacceso molto forte, e oggi sta diventando uno dei temi di competizione innovativa fra i produttori di auto più importanti, soprattutto le Giapponesi Toyota, Honda ed i Coreani della Hyudai.

I più recenti modelli a idrogeno a fuel cells come la Mirai fuel cells (Toyota), la Nexo Fc (Hyundai), la Clarity Fc (Honda), la Glc FC (Mercedes), già acquistabili sul mercato, sono al centro dell’attenzione mondiale in tutti i saloni auto del mondo. Per ora sono vendute soprattutto in Giappone, Germania e California dove esiste una prima rete di distributori idrogeno. Nel più recente salone di Tokio la tecnologia idrogeno fuel cells è stata protagonista assoluta.

Nonostante le Case auto emiliane costruiscano le famose supercar ed i motori a combustione interna più prestazionali del mondo, da quelle prime esperienze sono state avviate ulteriori ricerche riconducibili ai temi “idrogeno” e “fuel cells”. In “primis” le evoluzioni tecnologiche delle fuel cells a idrogeno a bassa temperatura (Pem) con l’ottimizzazione dei materiali che le compongono. Poi le loro applicazioni in veicoli di servizio: carrelli elevatori, lavasciuga, muletti trilaterali etc.. Ma anche l’ottimizzazione delle meno conosciute tecnologie fuel cells ad alta temperatura (Sofc) per la cogenerazione domestica e industriale ad elevata efficienza ed i sistemi di produzione ed accumulo per gli utilizzi stazionari dell’H2.

Ma potrá esservi spazio anche per nuovi prototipi a idrogeno fuel cells tutti italiani: biciclette, scooter, barche, auto (da quelle normali fino alle super-sportive a idrogeno che non potranno non essere costruite in Emilia). Perfino velivoli non convenzionali come droni, ultraleggeri, autogiro etc.

Una serie di attività che preludono alla nascita di un “distretto idrogeno” regionale che avrà la connotazione di un polo nazionale specializzato. Un luogo “fisico e virtuale” per coordinare team di ricercatori interdisciplinari ed attivare collaborazioni con esperti automotive esterni alle università, per progetti specifici.

Per concretizzare il progetto sarà necessario l’accesso a contributi regionali, nazionali, europei ed il supporto economico da parte di aziende italiane ed europee leader nell’energia green etc. che, attraverso progettii specifici, potranno assicurare i fondi necessari anche per dotarsi di attrezzature di controllo, sperimentazioni, strumentazioni e spazi per allestire i prototipi.

Lo scenario oggi è cambiato completamente dai primi anni 2000. L’idrogeno si prepara a rivoluzionare la mobilità ma può essere anche lo “storage” stazionario ideale dell’energia elettrica da rinnovabili (che non sono tutte costanti nelle 24 ore)

Lo “zero emissioni” per i veicoli infatti non si può basare sulle sole batterie perchè i limiti della cinetica chimica non consentono le velocità di ricarica cui siamo ormai abituati nelle stazioni di servizio.

Tempo di ricarica completa delle auto a batterie: da un’ora fino a 8 ore. Tempo di ricarica delle auto a idrogeno fuel cells: 2 minuti.

L’autonomia delle auto con le sole batterie (oggi le più utilizzate sono quelle agli ioni di litio) non supera di fatto i 200 km in condizioni di guida tipicamente autostradali. Una berlina media necessita infatti di 0,5 KWh di energia per percorrere un chilometro in autostrada (circa 2,2 MJoule). Ma nelle auto c’è l’impossibilità fisica di mettere a bordo un pacco batterie che contenga più di 100 Kwh di energia. Manca lo spazio.

Quindi il limite dell’autonomia del “solo elettrico” è di circa 200 Km (100 kW/0,5 kWh/km), molto meno della distanza di circa 600 km con un pieno, a cui siamo abituati. La Toyota Mirai a idrogeno a fuel cells invece raggiunge i 600 km di autonomia con un semplice serbatoio di idrogeno a pressione super controllata. ed alla media di 140 km/h con ricarica in due minuti.

L’idrogeno richiede anche una rete di distribuzione adeguata (il nostro magazine descrive a parte quello che succede in USA, Germania ed Asia (ove ormai stanno sviluppando le reti di stazioni di rifornimento di idrogeno).

Il Convegno ha avuto fra i relatori, oltre ad alcune aziende che hanno portato le loro esperienze sui loro veicoli innovativi a idrogeno e sulle fuel cells, anche l’importante presenza della Toyota Italia che ha esposto la Toyota Mirai a idrogeno e fuel cells.

Un tassello strategico ormai inderogabile sarebbe la creazione di una rete iniziale di 10-15 distributori di idrogeno, con distanze fra essi compatibili con l’autonomia delle auto a idrogeno. Una triangolazione Bolzano-Emilia-Milano (oltre a Venezia) potrebbe costituire la base necessaria per cominciare a far circolare le auto a idrogeno a fuel cells anche in Italia.

Ma affinchè la rete a idrogeno sia completamente “green” (per evitare il contradditorio trasporto su ruota del gas) esso deve essere prodotto rigorosamente sul posto da rinnovabili.

E quali sono le energie rinnovabili innovative per la produzione ad elevata efficienza di idrogeno? Solare ad alta concentrazione con il termocraking della molecola dell’acqua, elettrolisi ad elevata efficienza da elettricità prodotta dal moto ondoso, da geotermico “hot dry rock”, da idroelettrico a grande, medio e basso salto (quest’ultimo mediante le coclee coassiali con la direzione del moto del corso dei fiumi) e dal grande eolico.

Risorse di cui l’Italia è ricchissima a livello nazionale e che potrebbero rendere la nostra nazione “l’Arabia saudita dell’idrogeno”. Questo non risolverebbe certo problemi dell’intero Pianeta, ma certamente molti di quelli energetici, ambientali ed economici degli Italiani

Un’altra, poco nota, ma innovativa produzione “green” dell’idrogeno può anche essere la catena “biogas-biometano-bioidrogeno” (processo ad alto rendimento, particolarmente adatto alle risorse agricole della pianura padana, ricca di centrali a biogas). Quindi l’Emilia Romagna è in “pole position” nazionale per le tecnologie veicolari idrogeno e di quelle per l’accumulo energetico green di questo versatile gas che rivoluzionerà il nostro modo di andare in auto e di utilizzare l’energia rinnovabile.

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