La risorsa dell’idrogeno nel trasporto privato e pubblico

/ Gianluca Brescia

Questo articolo vuole mettere in evidenza come l’idrogeno può essere un’alternativa nella mobilità.

L’idrogeno è il primo elemento chimico della tavola periodica degli elementi, rappresentato con il simbolo H2 e la sua composizione chimica è molto leggera. Gli atomi dell’idrogeno sono piccoli e formati da un protone ed un elettrone, i quali si possono facilmente unire ad altri elementi chimici. ⚗️ 🧪 🧫

L’idrogeno si trova sulla Terra 🌍 all’interno di composti solidi e liquidi, invece la presenza sotto forma di gas è più rara. Queste caratteristiche fanno sì che nel corso della storia la molecola dell’idrogeno sia stata usata in diversi ambiti come, ad esempio, nella mobilità combinato insieme ad altri combustibili.

Il primo esperimento risale al 1807 quando François Isaac de Rivaz, politico ed inventore svizzero, progettò un motore ad idrogeno: la sostanza H2 era miscelata con l’ossigeno gassoso. Successivamente non ci furono nuove sperimentazioni fino alla seconda metà del secolo e precisamente fino al 1863.

Durante quell’anno, l’inventore francese Étienne Lenoir progettò un triciclo con motore ad idrogeno soprannominato “Hippomobile”. Il mezzo era alimentato con l’idrogeno combinato ad altre miscele gassose così da azionare il motore attraverso il processo dell’elettrolisi. La tipologia di motore ad idrogeno venne limitata solamente al primo veicolo a carattere sperimentale. Nella successiva linea di produzione, complessiva di 400 esemplari, l’alimentazione del veicolo prevedeva una miscela di gas ricavato dal carbone.

Figura 1: Esperimento di François Isaac de Rivaz e l’Hippomobile di Étienne Lenoir (Fonti: Wikipédia Française per l’immagine dell’esperimento di François Isaac de Rivaz e Wikipedia Italia per l’immagine dell’Hippomobile)
Figura 1: Esperimento di François Isaac de Rivaz e l’Hippomobile di Étienne Lenoir (Wikipédia Française per l’immagine dell’esperimento di François Isaac de Rivaz e Wikipedia Italia per l’immagine dell’Hippomobile)

COME FUNZIONA UN VEICOLO AD IDROGENO?

Esistono due grandi categorie per quanto concerne l’utilizzo dell’idrogeno nella mobilità. Uno di questi è chiamato “HICEV (Hydrogen Internal Combustion Engine Vehicle)” e sostanzialmente riguarda la combustione interna di un motore attraverso l’idrogeno ed altri gas. I due esperimenti di François Isaac de Rivaz ed Étienne Lenoir illustrati precedentemente appartengono a questa classe.

Il secondo gruppo è conosciuto con il nome di “FCEV (Fuel Cell Electric Vehicle)”: in questo caso l’idrogeno viene fatto reagire con l’ossigeno per poter alimentare elettricamente una “Cella a Combustibile (Fuel Cell)” presente all’interno del veicolo.

Le auto ad idrogeno sono dei veicoli ibridi. 🚗 Esse sono alimentate da un motore elettrico, il quale produce da solo l’energia elettrica. Quest’ultima non viene prodotta dalle batterie presenti all’interno del veicolo, come avviene per le auto elettriche, l’energia viene prodotta da una piccola centrale elettrica chiamata Cella a Combustibile conosciuta anche con il nome di Fuel Cell.

La tecnologia Fuel Cell è quella che nel corso del tempo è stata maggiormente sviluppata. È attualmente presente sia nella modalità privata come ad esempio automobili o biciclette ad idrogeno, ma la R&S (Research and Development – Ricerca e Sviluppo) si è concentrata nel settore della mobilità pubblica come ad esempio autobus, treni e navi ad idrogeno. 🚲 🚌 🚆 🚢

Figura 2: Funzionamento di un automobile ad idrogeno (Fonte: BMW.com, autore sconosciuto, data sconosciuta)
Figura 2: Funzionamento di un’automobile ad idrogeno (BMW.com, autore sconosciuto, data sconosciuta)

All’interno della Cella a Combustibile avviene un processo denominato “elettrolisi inversa” dove l’idrogeno reagisce con l’ossigeno per produrre energia elettrica. L’idrogeno viene immesso nel serbatoio del veicolo ed immagazzinato o stoccato all’interno di piccole bombole, invece l’ossigeno proviene dall’aria circostante.

La corrente elettrica generata dal Fuel Cell arriva al motore elettrico per alimentare il veicolo e/oppure alimenta una piccola batteria che funge da accumulatore intermedio per l’energia elettrica. Quest’ultima ha delle dimensioni ridotte e viene alimentata dalla Cella a Combustibile. Anche la tipologia del veicolo ad idrogeno è in grado di recuperare l’energia in frenata. Il motore elettrico converte l’energia cinetica dell’auto in energia elettrica ed alimenta la batteria.

Video 1: Funzionamento dell’idrogeno in un’automobile (BMW.com, autore sconosciuto, data sconosciuta)

Le auto ad idrogeno presentano diversi vantaggi che si possono ricondurre sia nei confronti dell’ambiente ma anche a verso l’automobilista. Un veicolo ad idrogeno non produce nessuna emissione inquinante ma solo vapore acqueo, inoltre, il motore è silenzioso come un’automobile elettrica.

A differenza delle auto elettriche, con un veicolo ad idrogeno il rifornimento, ovvero la ricarica dell’idrogeno nelle bombole, avviene in circa cinque minuti. ⛽ Nelle auto elettriche la ricarica delle batterie può durare da un minimo di trenta minuti fino a qualche ora. L’ultimo vantaggio riguarda l’autonomia di un veicolo ad idrogeno che è di circa 500 chilometri con un solo pieno.

Rimanendo su quest’ultimo tema si ha anche il rovescio della medaglia ovvero alcuni svantaggi: uno di questi riguarda il rifornimento dell’automobile, che deve avvenire tramite distributori speciali. Essi non sono presenti in maniera capillare come, ad esempio, i classici distributori di benzina e diesel. La presenza dei distributori di idrogeno ad oggi è minore anche rispetto ai punti di ricarica per le auto elettriche.

L’auto ad idrogeno è destinata ad una fascia medio-alta per i costi elevati del veicolo ed anche del rifornimento. Alcuni modelli, come, ad esempio, la Toyota Mirai costa 66˙000 € ed in passato la BMW Hydogen 7 prodotta dal 2006 al 2008, non aveva un costo dichiarato ma su richiesta. 💶 💰

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Figura 3: BMW Hydrogen 7 (Flickr, autrice A. Kathryn, 2008)
2019 Toyota Mirai
Figura 4: Toyota Mirai (Flickr, autore “D70”, 2019)

A questo costo si deve aggiungere anche la spesa del rifornimento che in Italia è la più elevata: 1 chilogrammo di H2 costa 13€, in Germania 9,50€ e negli Stati Uniti d’America 14$. Con questo costo si può fare rifornimento solo per 100 chilometri.

Attualmente la casa automobilistica tedesca BMW sta sviluppando insieme alla casa giapponese Toyota un nuovo veicolo ad idrogeno con Celle a Combustione. Il modello è denominato “BMW i Hydrogen NEXT” con la carrozzeria che riprende i lineamenti della BMW X5.

BMW i NEXT Hydrogen-powered fuel cell electric Vehicle
Figura 5: BMW i Hydrogen NEXT (Flickr, autore Marco Verch, 2019)

L’automobile, disponibile sul mercato a partire dal 2022, sarà caratterizzata da un Fuel Cell, il quale sarà alimentato da due serbatoi da 6 chilogrammi per l’idrogeno e stoccato ad una pressione di 700 bar.

La BMW non ha ancora fornito i dati sull’autonomia e sul prezzo di vendita che sicuramente sarà più calmierato rispetto al passato così che l’auto potrà essere destinata anche alla popolazione di fascia media.

UNO SGUARDO SULL’UTILIZZO DELL’IDROGENO NEL TRASPORTO PUBBLICO SU GOMMA

Nel trasporto pubblico locale, come ad esempio, autobus e treni, da diversi anni è possibile trovare veicoli alimentati ad idrogeno. Anche in questo caso la tecnologia utilizzato nella mobilità pubblica è la stessa descritta nei paragrafi precedenti. Autobus e treni ad idrogeno sono alimentati dalla tecnologa della Cella a Combustibile – Fuel Cell. 🚍 🚉

Le prime sperimentazioni di autobus ad idrogeno risalgono al 2000. Inizialmente si trattava di piccoli progetti pilota con l’obiettivo di comprendere se tale tecnologia, applicata agli autoveicoli da maggior tempo, poteva essere testata sugli autobus. La sperimentazione riguardava anche i consumi e l’autonomia di tali veicoli.

Le ricerche continuarono negli anni successivi, quando a Dicembre 2009 si arrivò ad un passo importante per la diffusione di autobus ad idrogeno attraverso il progetto europeo “CHIC – Clean Hydrogen In european Cities” con durata fino al 2016.

Al bando hanno partecipano nove città europee che sono Aarau in Svizzera, Bolzano, Olso, Londra, Milano, Amburgo, Colonia e Whistler in Canada. I partner hanno ricevuto in dotazione diversi finanziamenti per un totale di 81,8 milioni di euro con l’obiettivo di far circolare diversi veicoli ad idrogeno.

Figura 6: Panoramica del progetto CHIC (Fonte: Fuel Cell Electric Buses, autrice Sabine Skiker, 2015)
Figura 6: Panoramica del progetto CHIC (Fuel Cell Electric Buses, autrice Sabine Skiker, 2015)

Nel capoluogo lombardo sono stati ordinati tre autobus “Mercedes-Benz O530N Citaro C1 Facelift Hybrid”.

Figura 7: Mercedes-Benz O530N Citaro C1 Facelift FuelCELL Hydrogen per le strade di Milano (Foto personali, 2020)
Figura 7: Mercedes-Benz O530N Citaro C1 Facelift FuelCELL Hybrid per le strade di Milano (Foto personali, 2020)

I veicoli, con una lunghezza di 11,95 metri, possiedono ciascuno sette bombole di idrogeno posizionate sul tetto per una capienza totale di 35 chilogrammi. Il Fuel Cell della potenza di 120 Kw e posizionato sul tetto del veicolo, alimenta i due motori elettrici delle ruote, i quali hanno una potenza di 160 Kw.

Motore ad idrogeno sull’autobus “Mercedes-Benz O530N Citaro C1 Facelift FuelCELL Hybrid” (Registrazione personale, 2020)

Le tre vetture hanno un’autonomia di 250 chilometri con un solo pieno d’idrogeno attraverso un distributore speciale installato nel deposito d’appartenenza dei veicoli. L’entrata in servizio è avvenuta nel 2012 ed inizialmente solo su una linea dedicata, la quale convenzione aziendale funziona da campione per autobus funzionanti a energie alternative. Sempre nello stesso anno il prototipo Mercedes ha ricevuto il “Premio E-BUS” come miglior veicolo della categoria. 🏆

La sperimentazione doveva concludersi nei cinque anni successivi all’entrata in servizio delle vetture ma ad oggi i tre autobus milanesi continuano a circolare regolarmente non solo sulla “linea campione”, ma anche su altri percorsi di altre linee.

Video 2: ATM green hub in Milan [minuto 2:00 – 2:25] (YouTube, autore Azienda Trasporti Milanesi, 2021)

Ad oggi i piani di sviluppo del trasporto pubblico milanese non prevedono un ulteriore acquisto di veicoli ad idrogeno a differenza di altre città come, ad esempio, Bolzano e Londra dove il trasporto pubblico su gomma ad idrogeno sta diventando una realtà consolidata.

La Provincia Autonoma di Bolzano recentemente ha acquistato dodici nuovi autobus dalla casa costruttrice polacca Solaris 🇵🇱 che si vanno ad aggiungere alle cinque vetture Mercedes del progetto CHIC. Le nuove vetture hanno un’autonomia di 350 chilometri.

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Figura 9: Solaris Urbino IV 12 Hydrogen a Bolzano (Flickr, autore “Hemeral”, 2021)

Invece Londra 🏴󠁧󠁢󠁥󠁮󠁧󠁿 dopo aver partecipato al programma europeo ha incrementato risorse per acquistare nuove vetture come lo dimostra l’entrata in servizio da qualche anno di autobus ad idrogeno a due piani.

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Figura 10: Galleria di 54 fotografie sul trasporto pubblico ad idrogeno nella città di Londra (Flickr, autore “citytransportinfo”)
Video 3: Hydrogen Fuel Cell Electric Buses On London Bus Route RV1. (YouTube, autore “Bob Hodges Transport DVDs”, 2019)
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Figura 11: Metroline operated LK70 AZR is a Fuel Cell Electric Double Decker powered by Hydrogen. Seen in North Kensington St Mark’s Road. (Flickr, autore “Hertsman”, 2021)

TRASPORTO PUBBLICO FERROVIARIO AD IDROGENO

A differenza del trasporto pubblico ad idrogeno su gomma, quello su ferro sta compiendo i primi passi per poter in futuro essere una realtà consolidata nella mobilità.

Attraverso diverse ricerche e studi, il gruppo industriale francese Alstom ha progettato il primo treno al mondo ad idrogeno alimentato con la Cella a Combustibile chiamato “Coradia iLint – Hydrogen Fuel Cell Train”. La sigla “Lint” è un acronimo dalla lingua tedesca per “Leichter Innovativer Nahverkehrstriebwagen” e significa “automotrice per servizio regionale leggera e innovativa”. 🚅 🚃

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Figura 12: Alstom Coradia iLint (Flickr, autore Jakob S./”alptrainspotter”, 2020)

Il convoglio, composto da due carrozze con capienza totale per 320 persone, è entrato in servizio il 18 Settembre 2018 su una linea ferroviaria tedesca di 100 chilometri che attraversa le città di Cuxhaven, Bremerhaven, Bremervörde e Buxtehude. 🇩🇪

Il motore elettrico presente in ogni carrozza è alimentato con 200 kW di potenza provenienti dal Fuel Cell e altri 225 kW dalle batterie agli ioni di litio. 🔋

Video 4: Coradia iLint – the world’s 1st hydrogen powered train (YouTube, autore Alstom, 2020)

L’idrogeno è compresso a 350 bar ed è stoccato in dodici bombole per ciascuna carrozza per un totale di 94 chilogrammi forniscono un’autonomia di 600 chilometri ed una velocità massima di 140 Km/h.

Video 5: Coradia iLint von Alstom- der erste Wasserstoffzug der Welt: Vorstellung und Mitfahrt (YouTube, autore “Gruenderla”, 2019)

A Novembre 2020 l’Ente del trasporto pubblico ferroviario della Regione Lombardia, “Trenord”, ha approvato un importante investimento che ha come obiettivo il rinnovo della propria flotta ferroviaria. L’accordo, in collaborazione con Alstom, prevede l’acquisto di 6 treni ad idrogeno con un’opzione per un’ulteriore commessa da 8 convogli. I sei convogli Coradia iLint – Hydrogen Fuel Cell Train avranno un importo totale di 160 milioni di euro. 🧾

La prima consegna avverrà dopo trentasei mesi dalla stipula dell’accordo per poi iniziare un periodo di prove sulla linea Brescia-Iseo-Edolo 🚞 la quale è stata scelta proprio da Trenord e Regione Lombardia per l’esercizio dei nuovi treni ad idrogeno. Le caratteristiche dei convogli saranno le stesse di quelli che oggi viaggiano in Germania.

Il treno ad idrogeno della Alstom ha ricevuto a Gennaio 2021 il premio “European Railway Award 2021” per essere il pioniere nella diffusione dell’idrogeno nel trasporto ferroviario. 🥇

Fonti

50 pensieri su “La risorsa dell’idrogeno nel trasporto privato e pubblico”

  3. Ringraziandoti sentitamentre per aver menzionato il nostro sito ti segnalo che nel 2004 presso il deposito Famagosta venne esposto un prototipo di Fiat 2470 Macchi Ansaldo (filobus) del 1981 trasformato in prototipo a Fuel Cell (idrogeno) e infine comprato da ATM in vista del famoso museo aziendale. Il bus fino al 2008 circa era custodito al chiuso e poi venne messo alle intemperie per fare spazio ai treni MNG di M2, questo pezzo di storia dovrebbe essere stato demolito.

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  5. Certo la parola idrogeno come utilizzo nel mondo dei trasporti spaventa un po’. L’idrogeno elemento chimico si trova allo stato libero in diversi gas naturali, diffusissimo sotto forma di composti tra cui di gran lunga l’acqua sorprende e non poco l’utilizzo nei mezzi di trasporto per rendere l’aria meno satura di idrocarburi.

    Viaggio interessante di questa possibilità non ancora a pieno regime, ma già utilizzata. Bravo in questa tua esaustiva conoscenza dei mezzi di trasporto ad idrogeno. Alla prossima.

    Viaggio breve, interessante utile. Bravooooooo!

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    • Io non avrei mai pensato che un elemento come l’idrogeno potesse essere usato attraverso la combinazione con l’ossigeno per alimentare delle batterie elettriche. Secondo me è qualcosa di unico.

      Tutto ciò per aumentare le alternative ad un trasporto sia pubblico che privato all’insegna della sostenibilità ambientale con un minor inquinamento.

      L’idrogeno si sta diffondendo piano piano, questo perché è difficile trovare l’idrogeno “puro” sulla Terra e non ricavato da altri combustibili. Auspico che in futuro con nuovi studi e tecnologie possa diventare un’alternativa nella mobilità insieme alle auto “solamente” elettriche.

      Sono contento che l’articolo ti sia piaciuto papà! 🙂

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  8. Secondo te come mai durante l’emergenza covid lo stato non ha mai voluto potenziare il trasporto pubblico, nonostante fosse evidente che il sovraffollamento sui mezzi pubblici fosse una delle ragioni principali dei contagi?

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  13. Oggi fumata nera, è la te, a o quarta volta che ho pigiato il pulsantone e mi fa da vedere post che avebo già letto e commentato. Però questo non lo avevo commentato, sicché provvedo con una domanda che mi sorge spontanea: cosa c’è dietro al diniego europea a ché si continui alla massiccis messa su strada dell’idrogeno?

    Non avrei mai detto che l’idrogeno per i trasporti è stato preso in considerazione sin dagli inizi dell’800, giuro.

    Sempre una scoperta leggerti. Giamluca 😊

    PS: eh ma, questo blog mica è aperto solo nei fine settimana, no?! 😉

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    • Ma che sorpresa leggere un tuo commento quasi a metà settimana 🙂 Infatti, come dici tu: non sono aperto solo nei weekend ma sempre !

      Questa sera il pulsantone ti ha messo alla prova allora, ma prima o poi qualcosa che non avevi ancora lo trovi… e sei proprio in uno degli articoli “corposi”.

      Rispondo alla domanda (che effettivamente ogni tanto mi pongo anch’io): secondo me non si punta sull’idrogeno perché costa molto per sviluppare una grande filiera produttiva e di ricerca. Fino ad ora io ho letto solo sperimentazioni in ambito TPL sia a Milano ma anche in altre realtà come ho indicato in questo articolo.

      Però converrebbe di più fare qualche ricerca per incentivare l’uso dell’idrogeno. C’è il problema dello stoccaggio, però la resa teoricamente è molto meglio rispetto a ciò che troviamo già ora in termini di sostenibilità (auto elettriche o mezzi del trasporto pubblico locale totalmente elettrici).
      In questo secondo caso, le batterie prima o poi perderanno la loro capacità iniziale e come verranno utilizzate?
      C’è l’idea di riconvertire le batterie di automobili/bus elettrici con un “secondo riutilizzo” in altri ambiti, però al momento le notizie secondo me sono un pochino vaghe.

      Con l’idrogeno questo problema non si presenterebbe. Attendo comunque tra qualche anno la prima linea ferroviaria italiana ad idrogeno nella direttrice Brescia-Iseo-Edolo (https://www.fnmgroup.it/h2iseo_hydrogen_valley/).

      Anch’io inizialmente pensavo che la scoperta dell’idrogeno fosse recente ed invece mi sono ricreduto.

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  14. interessante l’articolo di FNM. Merci beaucoup 😊

    Ma secondo te, Gianluca, il motivo del blocco non è che possa essere solo questione di “interessi”? Perché che ne sappia io, altri stati (Giappone per esempio che, come è noto, in fatto di inquinamento sta messo davvero male) son molto più avanti di noi Europei.
    D’altronde, valutando anche, come ben dici, lo smaltimento delle batterie elettriche, se si trattasse solo di costi, il bene della terra (e quindi il nostro) non ha prezzo… 😉

    Mah… 😒🤷‍♀️

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