Motori ad idrogeno: tutto quello che dovresti sapere

Il motore a idrogeno rappresenta una delle migliori opportunità per la mobilità verde, in quanto non produce sostanze nocive quando viene utilizzato come combustibile.

Il motore a idrogeno è visto da alcuni come una grande opportunità per ottenere un ambiente più pulito e un’aria più sana, mentre da altri è considerato una soluzione poco praticabile e nebulosa. Naturalmente, rendere l’idrogeno un combustibile adatto per essere una valida alternativa comporta fondamentalmente la creazione di un sistema di distribuzione capillare del combustibile. Vedremo in seguito che esistono vari tipi di motori, e quindi diverse possibilità di utilizzare l’idrogeno. Esistono una serie di motivi che hanno portato a una diffusione assolutamente insufficiente di distributori di idrogeno.

Cos’è l’idrogeno

L’idrogeno è l’elemento chimico più leggero e abbondante nel nostro pianeta. Ha come simbolo chimico H e peso atomico 1. Nella sua forma molecolare è H₂ e possiede caratteristiche molto specifiche: è incolore, inodore e altamente infiammabile.

Perché è complicato portare l’idrogeno in tutte le città italiane?

Potrebbe sembrare strano, ma i distributori di idrogeno sono molto complicati da installare per una serie di motivi che riguardano sia problemi economici sia tecnici. In primo luogo, è importante considerare che per installare gli erogatori si devono affrontare i seguenti costi:

Costi di installazione: Essendo l’idrogeno un gas estremamente esplosivo, è necessario, al momento della messa a terra, creare un impianto altamente tecnologico con misure di sicurezza molto elevate, in modo che il gas non causi problemi o danni estremamente seri.
Costi di manutenzione: Proprio a causa della pericolosità di questo gas, è necessario garantire che vi siano controlli estremamente attenti.

Un altro problema molto serio è rappresentato dal trasporto e dallo stoccaggio, poiché per mantenere questo gas stabile è necessario conservarlo ad alta pressione e a temperature molto basse. Naturalmente, anche in questo caso, si parla di costi non indifferenti.

Proprio per questo motivo, sviluppare questo tipo di infrastruttura deve essere uno sforzo nazionale, se non internazionale, con la consapevolezza che a lungo termine i vantaggi economici e ambientali saranno assolutamente significativi.

Cos’è un motore a idrogeno?

Alla base della tecnologia basata sull’idrogeno applicata alle automobili c’è un motore creato appositamente per trasformare la potenza di questo gas in forza motrice. Esistono due tipi di motori a idrogeno:

Motore a combustione interna: Non è il più diffuso, ma è concettualmente molto simile ai motori tradizionali. Invece di utilizzare combustibili come la benzina o il gasolio, viene impiegato l’idrogeno. Il gas viene immagazzinato nel serbatoio e iniettato nella camera di combustione, dove brucia in combinazione con l’ossigeno. Il risultato è la produzione di calore e pressione che mettono in movimento i pistoni, generando il movimento del veicolo. Questa soluzione non produce anidride carbonica, ma solo vapore acqueo e una quantità quasi trascurabile di ossidi di azoto. Un altro aspetto importante è che questa tecnologia è compatibile con i motori a combustione interna tradizionali.
Motore a celle a combustione di idrogeno: Questo motore trasforma l’energia chimica dell’idrogeno in energia elettrica. Rispetto alla soluzione precedente, offre una produzione di energia più diretta, pulita e con una maggiore efficienza nella conversione tra energia e potenza.

Motori a combustione di idrogeno, il ciclo di funzionamento

Come anticipato in precedenza, i motori a combustione di idrogeno, chiamati H2-ICE, presentano caratteristiche particolari che riprendono molto da vicino quelle dei motori tradizionali. Per spiegare il loro funzionamento è necessario suddividerlo in cinque fasi ben distinte:

L’aspirazione: Viene aspirata una miscela di idrogeno e aria e portata nella camera di combustione. Questa fase può avvenire con l’iniezione diretta, che avviene dopo la chiusura della valvola di aspirazione, o con l’iniezione nel collettore, che avviene prima dell’ingresso nella camera di combustione;
La compressione: Il miscuglio di idrogeno e aria viene compresso nel cilindro. Questa è un’operazione molto delicata che deve essere gestita con attenzione per evitare la detonazione prematura;
L’accensione e la combustione: Alla fine, la miscela viene accesa tramite una candela nei motori basati sul ciclo Otto oppure viene compressa fino alla combustione spontanea nei motori a ciclo diesel. L’idrogeno brucia molto velocemente, generando una grande quantità di calore e pressione;
L’espansione: Questa elevata pressione spinge il pistone verso il basso;
Lo scarico: Una volta che il gas è stato completamente combusto, si ha il rilascio delle scorie, che in questo caso sono principalmente acqua e una piccola quantità di ossido di azoto.

Celle a combustibile a idrogeno

Il funzionamento delle celle a combustibile a idrogeno è superiore a quello della combustione interna poiché risulta essere molto più sicuro, pulito e, allo stesso tempo, più efficiente. Il suo funzionamento è più diretto perché trasforma l’energia chimica in elettricità attraverso una reazione elettrochimica.

Il processo inizia con l’anodo, il polo negativo, dove l’idrogeno viene alimentato e dissociato in protoni, ovvero ioni H⁺, ed elettroni, e⁻. A questo punto inizia la reazione elettrochimica: i protoni attraversano l’elettrolita, mentre gli elettroni sono costretti a percorrere un circuito esterno, generando così energia elettrica.

Nel catodo, i protoni e gli elettroni si combinano con l’ossigeno dell’aria per formare acqua, che viene poi espulsa come scarto.