GuidoZaccarelli,ottobre2018.

UNAGGIORNAMENTOSULLASICUREZZAANTINENDIODEIVEICOLIADIDROGENO

Iveicoliadidrogenofannopartedeicosiddettiveicolialimentaticoncombustibilialternativi,cioètuttiquellidiversi dai combustibili tradizionali come benzina o gasolio. Si tratta di una grande varietà di tipologiediverse,chevannodaiveicoliaGPL,ametano,elettrici,ibridi,ecc.,ecomprendonobiciclette,motociclette,autobuseforseinunprossimofuturoanchecamion.GiàdamoltiannisonoincircolazioneautoametanooaGPL,dopodecennidiobliosonoprepotentementetornatedimodaleautoelettriche,inalcunipaesisonomoltodiffuseleautoadalcool(etanolo),orasiaffaccianosulmercatoancheleautoadidrogeno.

Inquestoarticolotrovereteunabrevespiegazionedeivaritipidiveicolialimentatiadidrogeno,iloroprincipidifunzionamento,iprincipalivantaggiesvantaggidiquestatecnologia,edanchequantoèperorapossibilesostenereinmeritoallasicurezzaantincendiodeiveicolialimentatiadidrogeno.

Iveicoliadidrogenoconmotoretermico.

All’estero sono già in vendita alcunimodelli di auto alimentate ad idrogeno,mentre in Italia fino a pocotempo fa c’erano alcuni ostacoli di tipo normativo attualmente in via di superamento. Le bombole diidrogenosonocaricatea700bar,mentreinItalialapressionemassimaammessaeradi350bar:siattendeabreveunaggiornamentodellanormativa,giàannunciatadalD.Lgs.257/2016.

Perprocedereallavalutazionedelrischioincendiodiunveicoloadidrogeno,occorreprimadistinguereidueprincipali tipi di utilizzo dell’idrogeno. Una decina di anni fa BMW provò con successo una vettura cheutilizzatal’idrogenocomesemplicecarburanteall’internodiunmotore“tradizionale”acombustioneinterna,abbastanza simileadunnormalemotoreabenzinaa cicloOtto. IpochiesemplaridellaBMWSerie7nonfurono messi in vendita al pubblico bensì assegnati in prova a persone selezionate. Il principio difunzionamento era dunque concettualmentepiuttosto semplice,ma la realizzazionenon era semplice pernulla.Lavettura,giàdiperséunmodellopiuttostograndeepesante,eraresaancorapiùpesantedatuttiidispositivicheeranoaserviziodell’idrogeno,qualiperesempioiserbatoi.Essicontenevanoidrogenoliquido,chedeveessereconservatoatemperaturenonsuperioria-253°C,vicinoallozeroassoluto.Ciòovviamentecomportavaunaseriediproblemidi isolamentotermicoediconservazionedell’idrogeno,problemidinonsemplicerisoluzione.Ilrisultatoèchelavetturapercorrevacirca2Kmcon1litrodiidrogeno.

Inoltre, cometutti i serbatoi criogenici, il serbatoiodi idrogeno liquidononera stagno. Infattidatoche, inassenzadiunmeccanismodiraffreddamentocontinuo,qualsiasisianoidispositiviadottatiperl’isolamentotermico prima o poi il contenuto del serbatoio si scalda, ne consegue che all’interno del serbatoio lapressioneaumenta,conpericolodiesplosione.Dunqueintutti iserbatoicriogenicièsemprepresenteunaaperturaounavalvoladisfogo:l’aumentoditemperaturaproducel’evaporazionediunapartedelliquido,lapressione aumenta, la valvola si apre, unpo’ di gas esce, la pressione scende, la temperatura scendee siconserva al livello desiderato. In questo modo, però, a poco a poco l’idrogeno del serbatoio tende afuoriuscire tutto, e dopo alcuni giorni il serbatoio sarà vuoto; emagari il box dove abbiamoparcheggiatol’autosaràpienodiidrogeno.

Inrealtàoccorreprecisarechel’idrogeno,essendomoltoleggeroevolatile,siaccumulacondifficoltàedanzitende adisperdersi facilmente.Adognimodo, il problemadell’inevitabile rilascionel tempodell’idrogenoliquido,conconseguenteemissionedigasinfiammabilenell’ambiente,dovràesseretenutoinconsiderazione

nella valutazione della possibilità che le auto ad idrogeno liquido possano o meno parcheggiare nelleautorimessealchiuso.Naturalmentesemprechequestatipologiacostruttivaritornidimoda.

Al contrario, con idrogeno gassoso compresso in bombole stagne non sussiste il problema del rilascioprogressivodigasinambiente.

Unanotafinale:iveicolicheutilizzanoidrogenoinunmotoreacombustioneinternanonsonodeltuttoprividiemissionigassosenociveinatmosfera.Infattilacombustionedell’idrogenoconossigenoproducesoltantoacquasolosel’ossigenoèpuro:senelmotorevieneimmessaaria,dovel’ossigenocostituiscecircail21%edilrestoèingranpartecostituitodaazoto,quest’ultimo,durantelacombustione,produceunacertaquantitàdiossididiazoto.

Iveicoliadidrogenoacelledicombustibile.

Lefuel-cell,ocelleacombustibile,opileacombustibile,funzionanoinmanieracompletamentediversa.

Il principale vantaggio delle fuel-cell è l’efficienza: il Principio di Carnot, o secondo principio dellatermodinamica, insegnachesesiconsideraunamacchina termicacheopera fraduetemperatureT1eT2 ,conT1> T2, il rendimentomassimoèηmax=1-T2/T1.Dunqueunamacchina cheopera fradue temperaturemolto vicine avrà efficienzamolto bassa,ma in ogni caso non èmai possibile ottenere una efficienza del100%.Ed infatti, imotoriacicloOttoabenzinahannounrendimentointornoal28%; imotoriabenzinaaciclo Atkinson (che in realtà bisognerebbe chiamare più correttamente a cicloMiller, largamente utilizzatinelle auto ibride), a fronte di una minore potenza massima rispetto ai motori a ciclo Otto hanno unaefficienza chepuòarrivare al 35-40%; imotori diesel hannounaefficienza intornoal 40%, sebbene talunimotorispecialiarrivinoal50%;leturbineagasarrivanoperfinoal60%.Ebbenelefuel-cellarrivanoal60%,oltreapresentareunaseriedialtrivantaggi.

Macomefunzionaunacellaacombustibile?

Lacellaacombustibilesibasa,anzichésullacombustione,sullareazioneelettrochimicaincuisispezzanolemolecoledelcombustibile in ionipositivienegativi (elettroni)1.Questiultimivengonofatti transitare inunappositocircuitoinmododacreareunacorrentecontinua.L’idrogenoH2èparticolarmenteadattoaquestoscopo, perché il legame fra i due atomi che compongono la sua molecola è relativamente debole. Perpermettere la reazione elettrochimica è necessario ossigeno, che viene prelavato dall’aria esterna. Lacorrenteelettricaprodottavaadalimentareunmotoreelettricoditrazione.

Iprodottidiscartodellacellaacombustibilesonocaloree…acqua!InfatticombinandochimicamenteH2eOsiottieneproprioH2O,conunaproduzionediqualchelitroogni100km.Quindieccounulteriorevantaggio:iveicoliafuel-cellnoninquinano.Perlomenononpresentanoemissioninociveinatmosferamentre,comesivedrà,normalmente ilprocessodiproduzionedell’idrogenoè inquinante.Vediamoallorapiùneldettagliovantaggiesvantaggidiquestatecnologiarispettoadunveicoloalimentatotradizionalmente,peresempioabenzina.

Vantaggi SvantaggiMaggioreefficienzatermodinamica PresenzadibomboleadaltapressioneSilenziosità (vantaggio per conducente, passeggeri,ambiente)

Silenziosità(pericoloperipedoni)

Emissioniinatmosferaassenti(soloacqua) Altainfiammabilitàdell’idrogenoTempo per il rifornimento paragonabile ai veicoli Costoinizialediacquisto1 Il metodo più utilizzato è la cosiddetta pila a scambio protonico. Una analisi dettagliata del funzionamentoelettrochimicodellepileacombustibileesuladalloscopodelpresentearticolo.

tradizionaliAutonomiaparagonabileaiveicolitradizionali ScarsonumerodidistributoriRispettoperl’ambiente Costodipercorrenzastradale Attuale procedimento di produzione dell’idrogeno

mediantereformingdelmetano

Insomma, a fronte di alcuni svantaggi, che ora passeremo ad esaminare, pare che i veicoli a fuel-cellpresentinodiversivantaggi.Maalcunideivantaggisopraelencatimeritanounapprofondimento.

SCHEMASEMPLIFICATODIFUNZIONAMENTODIUNAFUEL-CELL

Cominciamodalrispettodell’ambiente.Ilgiornoincuisaràeconomicamenteconvenienteestrarrel’idrogenodall’acquamedianteelettrolisi,magarigrazieadenergiasolareoeolica,allorasaràpossibilesostenerecheilrispettodell’ambienteèmassimo.Nelfrattempo,correl’obbligodiricordarechel’idrogenoènormalmenteottenutodalrevamping(oreforming)delgasmetanoCH4,cioèuncombustibilefossile.Fral’altro,ilbilancioenergetico del processo è negativo, come è inevitabile che sia, e parte dell’energia totale contenuta nelmetanovienedispersadurante laproduzionedi idrogeno.Adognimodo ilprocedimentononèesentedaproduzionediCO2,impattoambientale,consumodicombustibilifossili.

Sulfrontedeitempidirifornimentolenotiziesonomoltoincoraggianti.Alcontrariodiquantoavvieneperleautoelettriche,cheancoraoggisonocaratterizzatedatempidiricaricamoltolunghi,nell’ordinedigrandezzadelleore (o, almassimoe solo in casomoltoparticolari,nell’ordinedimoltedecinediminuti), leautoadidrogenohannotempodirifornimentodeltuttoanaloghiaquellidelleautotradizionali,misurabiliinminuti.

È proprio il problema del tempo necessario alla ricarica delle batterie, insieme al problema del ridottonumerodicolonninediricarica,chefrenalosviluppodellamobilitàelettrica,almenoinItalia.Inveceleautoad idrogeno già oggi, agli albori di questa tecnologia, possono ritenersi soddisfatte dal punto di vista deitempidirifornimento.D’altraparteilnumerodistazionidirifornimentoèdigranlungainferiorealnumerodicolonninediricaricaelettrica.IntuttaItaliaoggiesisteunasola(dicesiunasola!)stazionedirifornimentodiidrogenoaBolzano,moltoopportunamentesituatainViaEnricoMattei.

LASTAZIONEDIRIFORNIMENTODIIDROGENODIBOLZANO.

Unulteriore vantaggiodelle auto ad idrogeno, rispetto alle auto tradizionali, è la silenziosità: in questo leautoadidrogenosonosimilialleautoelettrichepure(EV).Lecelleacombustibilenonproduconorumoreinquantitàrilevante:nelcasodellaToyotaMirai,oltrealrumoreaerodinamicoedovutoalrotolamentodeglipneumatici, l’unico generatore di (poco) rumore è datodal compressore che immette aria, cioè ossigeno,nellecelle.

Un altro vantaggio, rispetto alle auto elettriche, è l’autonomia. Le auto elettriche hanno faticatomolto, etuttora faticano, a garantire lemedesime distanze di percorrenza che un pieno di benzina o gasolio puòfornire:alcunimodellisisonoavvicinati,marestaancoramoltastradadafare.Noncosìleautoadidrogeno:lepercorrenzegiàattualmente sonoper laToyotaMiraidichiarate intornoai500Km,maHyundai, con laix35FuelCell,hagiàannunciatocheèvicino il traguardodei600Km.Si trattadi risultati interessanti,deltuttoparagonabilialleautonormali.

DASINISTRA,L’ING.GIOACCHINOGIOMI,CAPODELCORPONAZIONALEVVF,EDILDOTT.MAUROCARUCCIO,ADDITOYOTAMOTORITALIAS.P.A.ALLAPRESENTAZIONEDELLATOYOTAMIRAIAROMACAPANNELLE,GIUGNO2018.

Secondo Yoshikazu Tanaka, progettista della Toyota Mirai, l’alimentazione elettrica per le auto di grandidimensioniedicamionresterànoneconomicamenteconvenienteancorapermoltotempo,acausadelcostodellebatteriecheovviamentecresceconilpesodelveicoloel’autonomiarichiesta.L’alimentazioneelettricaed ibrida è invece adatta alle autovetture piccole, da città. Per le autovetture grandi o i camion, sempresecondoTanaka,l’alimentazioneadidrogenoèpiùadatta.

Profilidirischioincendioperleautofuel-cell.

Nonsonomolte leautoad idrogeno in circolazione.Unadiqueste, laToyotaMirai, è stata recentementepresentataalCentroStudiedEsperienzedeiVigilidelFuocoaRomaCapannelle.Questavetturadisponedi370cellecollegateinserie,ognunadellequalilavoraconunatensionedi1volt.Partedell’energiaprodottadalle fuel-cell viene assorbita dai sistemi di bordo, fra cui c’è anche un compressore per spingere aria (equindiossigeno)nellecelle,inpartevieneutilizzatadalmotoreelettricoditrazione,mailsofisticatosistemaelettronico di gestione può anche decidere di inviare parte dell’energia prodotta alle batterie al Ni-MHpresenti sul veicolo, che si ricaricano anche grazie al recupero dell’energia in frenata come le auto HEV“normali”proprioinmanieraanalogaaquantoavvienenellealtreibrideToyota.Questebatterieservonoperlepartenzedafermoeperlefortiaccelerazioni,datochelefuel-cellhannounlieveritardonellarisposta.

Dunqueleautofuel-cellpresentanoimedesimipericolidiincendiodellebatteriedelleautoHEVedinpiùipericoli derivanti dalla presenza delle bombole di idrogeno. Dato che la parte delle batterie è già stataesaminata,concentriamociallorasull’idrogeno.

Nonsipuòevitaredipremetterechecontrol’idrogenoesisteundiffusopreconcetto.Lapercezionecomunedellapericolositàdell’idrogenorisenteancora,anovant’annididistanza,del tragico incidentedeldirigibiletedescoHindenburg che, all’attracco a Lakehurst nelNew Jersey nel 1937, esplose uccidendo 35 delle 97personeabordo,oltreadunaulteriorepersonaaterra.Ildirigibileeraperl’appuntoriempitodiidrogenoel’incidentedistrussepersemprelafiduciadelpubblicointalimezziditrasporto.

In senso diametralmente opposto, alcuni siti che si interessano di idrogeno pubblicizzano tale gas comemoltosicuro:“l’idrogenodipersénonèpiùpericolosodellabenzinaodialtrigascombustibili.Ancheincasodicollisioneirischinonsonodiversidaquellidiunavetturatradizionaleoametano”2.

Naturalmente è troppo presto per una valutazione del rischio di incendio o di esplosione basatascientificamente su serie stabili di dati statistici, ma sorge il dubbio che la verità stia nel mezzo.Nell’impossibilità di procedere ad una valutazione quantitativa del rischio, ciò che è possibile fare oggi èsoltantoprocedereadunalistadipossibilipericoli,senzachesiapossibileassociarviunaprobabilità.

BOMBOLEDIIDROGENOCOMPRESSOA700BARPERAUTOFCEV.

Un primo pericolo dell’idrogeno è costituito dalle bombole ad alta pressione (700 bar). Si tratta di unapressionemoltosuperioreaquelladellebomboledimetanoperautotrazione(circa200bar),pernonparlarepoi del GPL (massimo circa 8 bar). Già da questo aspetto non si può non concludere che è presente unmaggiore rischiodi scoppio.Naturalmentepercontrastarequestopericolo i costruttoriutilizzanomaterialispeciali,protezioniparticolariecc.:Toyotadichiaradiaverprovatoafaresploderelebomboleprendendoleafucilate,senzariuscirci.

Perquantoriguardaleproprietàchimico-fisichedell’idrogeno,essosipresentanormalmentesottoformadigas, non è tossico, è estremamente volatile ed infiammabile, è facilmente esplosivo. L’idrogeno è fra lesostanzeinnaturaconilcampodiesplosivitàpiùampio,circadal4%al75%.Moltialtrigashannouncampodiesplosivitàpiùridotto:ilmetano,peresempio,hauncampodiesplosivitàcompresofrail4%edil15%.Ciòsignificache,aldisopraoaldisottodiquesteproporzioni,ilmetanononesplodeperchélamiscelaètroppomagraotroppograssa.L’idrogenoinvecerestaesplosivosemiscelatoconariainquasitutteleproporzioni.Inoltreèviolentementereattivoinpresenzadicloroofluoro,cheperònondovrebbeessereunacondizionicomune in un veicolo su strada. Per fortuna, essendo molto leggero, in caso di perdite normalmentel’idrogeno si disperde velocemente nell’aria verso l’alto, senza produrre pericolosi ristagni in basso comepotrebbe per esempio fare il GPL; naturalmente ciò vale all’aperto, in caso di spazi confinati il pericoloovviamenteesiste.

2Fonte:http://www.linde-gas.it/it/industries/power_and_energy/hydrogen_technology/auto_a_idrogeno/index.html.

La combustione dell’idrogeno è particolare: rispetto alla combustione di un normale idrocarburo emettemoltomenocaloreperirraggiamento.Addiritturaunacombustionediidrogenoedossigenoinproporzionestechiometrica (gas di Brown) è praticamente invisibile ad occhio nudo. Ciò potrebbe significare, almenonella maggior parte dei casi, una minore probabilità di propagazione dell’incendio, almeno per la partedovutoalcaloredairraggiamento.

L’idrogenoèpoiunelementoparticolare,date lesuecaratteristicheed inparticolare ladimensionemoltopiccola della suamolecola, tende a permearemoltimetalli, con il risultato che tende a rendere fragile ilmetallo delle bombole. Per questo motivo i serbatoi di idrogeno sono molto particolari e contengonostruttureappositeper“intrappolare”l’idrogeno,comespugne,nanostrutture,microsfere,ecc.;inoltreperlebombolesiutilizzanomaterialicompositi.Iltuttocontribuiscearenderelebombolepesantiecostose.

Un ulteriore aspetto, esterno ai veicoli ma ad essi collegato, riguarda il trasporto dell’idrogeno. Unaeventuale futura diffusione dei veicoli ad idrogeno comporterà la necessità di realizzare una serie diinfrastrutturedi rifornimento,per lequali è in corsodipreparazioneunanormativadapartedeiVigilidelFuoco.Inoltre,secontinueràanonessereeconomicamenteconvenientelaproduzionediidrogenomedianteelettrolisidell’acqua,cheèdisponibilepiùomenoovunqueedinognicasoèfacilmentetrasportabileintuttasicurezza, bisogneràprevedereuna serie di veicoli per il trasportodell’idrogeno su gommao su ferro.UncaricodibombolediidrogenochesenevaingirosullestradeosullelineeferroviarieèunodiquegliincubichefarannodormiresonnipocotranquilliaiComandantideiVigilidelFuoco.

LANUOVAHYUNDAIFUEL-CELL.

Conclusioni.

Leautofuel-celladidrogenopesentanopregiedifetti.

Unadiffusionedimassadeiveicolifuel-cellnonappareprossima.Icostideiveicolifuel-cellsonomoltoalti:per laToyotaMiraisiparladi66.000euro,esulsitosvizzerodellaHyundai labrochureufficialeci informache ilprezzodella ix35fuel-cellnellaversionebase,privadioptional,èparia66.990franchisvizzeri (circa58.000 euro). La principale ragione è che le celle a combustibile sono ancora frutto in gran parte di unalavorazioneartigianale:èprobabilechequandolaloroproduzioneavverràinseriesuscalaindustrialealloraicostisiabbasserannonotevolmente.

Ilcostodell’idrogenoallapompa,combinatoconilconsumo,rendelepercorrenzemenoconvenientirispettoallamaggiorpartedellaauto“normali”oggiincircolazione.L’idrogenoall’unicapompaesistenteinItalia(aBolzano)costaintornoai14Euro/kg;datoilconsumodicirca1,2kgdiidrogenoogni100km,siottieneuncostodipercorrenzadicirca17euroogni100km,paragonabileadunaautochepercorrecirca9kmcon1litrodigasoliooppure10kmcon1 litrodibenzina.Esistonomolteauto“normali”chepresentanocostidipercorrenzainferiori.

Iltemponecessarioperilrifornimentoèridotto,mentreperiveicolielettricicostituisceunproblematuttoramolto penalizzante. La diffusione delle stazioni di rifornimento è attualmente quasi nulla, a tal punto darenderepraticamenteimpossibilel’utilizzodiquestotipodiveicoli,almenoinItalia.Senzaunacapillareretedidistribuzione,paragonabileagliattualidistributoridibenzinaogasolio,ladiffusionedeiveicoliFuel-cellinItalia sarà semplicemente impossibile. Dalle notizie disponibili, alMinistero dell’Interno è in preparazioneunanuovanormativadi prevenzione incendi relativa agli impianti stradali di distribuzionedi idrogenoperautotrazione.

Per quanto riguarda l’inquinamento, è vero che un’auto fuel-cell non emette composti gassosi nocivi inatmosfera,mafintantochel’idrogenosaràottenutomediantereformingdelmetano,l’interoprocessononsaràprivodi impattoambientale: inparticolaresulbilancioenergetico finale,sullaproduzionediCO2esulconsumodicombustibilifossili.Soloquandolaproduzionediidrogenopotràavvenireconfacilitàedacostisostenibili da fonti rinnovabilimediante elettrolisi dell’acqua, allora si potrà davvero sostenere chenon siconsumanocombustibilifossili:ediacquaneglioceanicen’èasufficienzapergarantireilrifornimentodiunsufficientenumerodiautovetturefinoallafinedeisecoli.

Ancheinquestocaso,però,amenodi innovazionitecnologichenontutti iproblemisarannorisolti,perchéuna motorizzazione di massa con veicoli fuel cell richiederebbe, allo stato attuale della tecnologia, unaquantitàdiplatinoedaltrimetalliraridimoltevoltesuperioreaquellaesistentesututtalaterra.

Comegiàanticipato,unaseriavalutazionedelrischiodiincendioediesplosioneattualmentenonhaancorasufficientielementistatisticisucuibasarsi.Dicerto,leautoadidrogenopresentanopericolidiversidalleauto“normali” e dalle auto elettriche, rischi che infatti l’industria già oggi sta affrontando inmododiverso. Leimmagini del dirigibile Hindenburg, anche a tanti anni di distanza, hanno ancora il loro peso e per ora sipossonofaresoltantoalcuneipotesi:attendiamocheiltemposipremuridiconfermarleosmentirle.