L'AUTOVETTURA AD IDROGENO PER UNO SVILUPPO VERAMENTE SOSTENIBILE

 

Mario Collepardi

Politecnico di Milano

mario.collepardi@polimi.it

 

I due grandi temi dell'acqua e dell'energia, così importanti per uno sviluppo sostenibile nel nostro pianeta, sono stati discussi in Settembre a Johannesburg dai rappresentanti politici, tecnici e finanziari di tutto il mondo.

Per quanto attiene al problema energetico, ed in particolare all'impiego di risorse rinnovabili e poco inquinanti, quali quelli che si richiedono per uno sviluppo sostenibile rispettoso dell'ambiente e delle future generazioni, si è molto discusso dell'idrogeno come combustibile per risolvere questo problema.

In realtà la situazione non sta proprio in questi termini: né per la rinnovabilità delle risorse – almeno in una prima fase – né per il trascurabile inquinamento provocato (indirettamente) dalla combustione dell'idrogeno.

A prima vista, infatti, bruciare idrogeno libera calore senza produrre gas inquinanti.  Infatti, l'idrogeno (H2) e l'ossigeno (O2) dell'aria, in presenza di una scintilla ( ), reagiscono sviluppando calore (Q) e formando vapore acqueo (H2O) che notoriamente non è inquinante:

Niente a che vedere, quindi, con le combustioni dei fossili solidi come il carbone (C), gassosi o liquidi come gli idrocarburi dei petroli (CnHm), che bruciando, oltre a liberare calore (Q' e Q'' rispettivamente), formano anche un gas, come il biossido di carbonio (CO2), inquinante per il noto effetto serra che può stravolgere l'equilibrio dell'ecosistema attraverso l'altrettanto noto "buco dell'ozono":

Le reazioni [2] e [3] possono anche essere più pericolose se, in difetto di aria e cioè di ossigeno, la combustione produce un gas tossico come il monossido di carbonio (CO), anziché il biossido (CO2).  E' proprio grazie a questa "imperfetta" combustione che il candidato suicida si rinchiude in un garage con l'autovettura a motore acceso per respirare i gas di scarico letali proprio per il loro rilevante contenuto di monossido di carbonio (CO).

Tutto bene quindi.  Sarà sufficiente sostituire gli attuali carburanti con l'idrogeno liquido per risolvere il problema dell'inquinamento collegato con le emissioni di gas inquinanti (CO2) e tossici (CO) derivanti dall'impiego delle autovetture.  Si tratterà, più che altro, di risolvere problemi non semplici - ma neppure insuperabili - per predisporre autovetture innovative il cui processo di combustione sia adattato al nuovo combustibile: l'idrogeno liquido, appunto.  Si dovrà risolvere anche il problema legato al trasporto ed alla distribuzione dell'idrogeno liquido attraverso una rinnovata rete distributiva dei carburanti.

Di tutto questo si è scritto e si sta scrivendo anche in riviste di divulgazione scientifica prestigiose come Le Scienze e Focus.

 

 

Ma l'idrogeno da dove lo prendiamo?  Dove lo troviamo?  Ed è qui che cominciano i problemi: perché l'idrogeno, combustibile efficace per la produzione di calore (Q) ed ecologico per l'assoluta mancanza di inquinamento nella sua utilizzazione, sul nostro pianeta come tale non è assolutamente disponibile.

L'idrogeno, infatti, come H2, cioè come combustibile, deve essere prodotto.  Ci sono due possibili approcci per la produzione dell'idrogeno (A e B), entrambi basati sull'impiego di risorse energetiche, che si differenziano però proprio per la tipologia della fonte energetica:

A) quella prodotta attraverso la utilizzazione dei combustibili fossili naturali (carbone solido, gas metano e idrocarburi liquidi) destinati ad esaurirsi;

B) quella prodotta attraverso la utilizzazione delle risorse naturali rinnovabili come le radiazioni solari, i movimenti eolici, le fonti geotermiche, la biomassa ed anche i movimenti idraulici (cascate).

Nei paragrafi che seguono saranno discussi in dettaglio i due approcci alle risorse energetiche, A e B, ma vale subito la pena evidenziare la sostanziale differenza che consiste nell'esaurimento o meno di queste risorse, come anche nel grado d'inquinamento atmosferico.

 

A) Idrogeno dai combustibili fossili: il trucco c'è ma non si vede

Nel vecchio treno a vapore ancora in funzione nella prima metà del secolo precedente, il macchinista caricava palate di carbone che bruciando produceva vapore in una caldaia dalla cui alimentazione il vecchio motore metteva in movimento le ruote della locomotiva.  Anche il passaggio dal carbone alla nafta comportò il cambiamento dal motore a vapore in quello diesel, ma la sostanza rimase quella di un trasporto basato sulla diretta applicazione dell'energia termica derivante dalla combustione dei carburanti di origine fossile con conseguente inquinamento di CO2 come si deduce dalle reazioni [2] e [3] già illustrate.

Con l'avvento delle nuove tecnologie, i processi [2] e [3] vengono oggi realizzati in grande scala nelle centrali termo-elettriche dove l'energia termica derivante dalla combustione (del carbone in polvere, del metano gassoso, o degli idrocarburi liquidi del petrolio, ecc.) viene trasformata attraverso turbine in energia elettrica e da lì trasportata e distribuita all'utenza inclusa quella relativa alla movimentazione dei treni sulle vie ferrate.  Non più carbone per caldaie a vapore o nafta per motori diesel rumorosi ed inquinanti, ma un semplice clic per alimentare il motore elettrico con cui mettere in marcia la silenziosa e non inquinante locomotiva.

 

 

Le fonti energetiche così come elaborate dall'ENEL su fonti 2001 dell'OCSE e dell'EURELECTRIC.

 

Dove è il primo trucco, quello sull'inquinamento?  Esso sta nel fatto che l'inquinamento c'è, ma non si vede.  Non si vede lungo i binari, nei paesi e nelle campagne attraversate dai treni.  Ma l'inquinamento – nel senso di emissione di CO2 – c'è ed è anch'esso centralizzato appunto nelle centrali termiche dove si brucia il combustibile.  Indubbiamente, lo si brucia con un miglior rendimento che non nelle vecchie locomotive a carbone, perché le moderne centrali termiche utilizzano carbone finemente macinato o sistemi di combustione gassosi e liquidi con un miglior rendimento ed annullando i rischi di combustione imperfetta per evitare emissioni nocive come quelle a base di monossido di carbonio (CO) gas tossico per eccellenza.

Rimane però la sostanza del problema: si è passati da una emissione di gas inquinanti (CO2) diffusa sul territorio attraversato dai vecchi treni ad un'emissione di inquinamento localizzato nelle centrali termiche a carbone, a gas metano o a nafta.  Non so dire francamente quale giovamento abbia tratto il nostro pianeta per quanto attiene l'effetto serra e le sue conseguenze globali (proprio nel senso letterale: che riguardano il globo).

Perché tutta questa premessa sui treni?  Perché anche per le autovetture a idrogeno il problema si presenta più o meno negli stessi termini un po' ipocriti.  Se le autovetture saranno alimentate da idrogeno come combustibile "pulito", cioè convertibile con le celle a combustione in energia elettrica in modo pulito, non ci sarà più emissione inquinante da CO2 perché l'unico prodotto di questa combustione "pulita" è il vapore acqueo (H2O).  Nelle attuali autovetture, invece, alimentate con benzina a base di idrocarburi CnHm, l'inquinamento da CO2 ed in minor misura da quello pericoloso da CO, esiste.  Esso è sotto gli occhi, e soprattutto sotto il naso, di tutti quelli che vivono nei centri storici dove la concentrazione delle emissioni (gas di scarico) delle autovetture raggiunge livelli insopportabili, soprattutto in inverno quando si sommano a quelle derivanti dalle caldaie dei riscaldamenti domestici centralizzati o autonomi.

Anche per i motori puliti alimentati da idrogeno come combustibile, l'inquinamento sarà assente dai gas di scarico delle singole autovetture, ma sarà concentrato in qualche altra parte dove l'idrogeno dovrà essere prodotto.  E qui si nasconde il secondo trucco: quello delle risorse "rinnovabili" (come si richiede per uno sviluppo veramente sostenibile) che sono in realtà destinate ad esaurirsi nel giro di 50 anni, forse 100 anni, in qualche altra parte dove il carbone, il metano o il petrolio verranno bruciati per produrre l'idrogeno.

Come si può produrre idrogeno?  Il sistema più semplice è quello basato sulla elettrolisi che consiste nel far passare la corrente elettrica applicando una differenza di potenziale tra due elettrodi immersi in acqua: l'elettrodo caricato negativamente (catodo) è ricco di elettroni ed è in grado di cederli; quello caricato positivamente (anodo) ha fame di elettroni e li assorbe.  L'acqua, dove sono immersi i due elettrodi, viene scissa (lisi in greco vuol dire appunto scissione) in idrogeno (H2) ed ossigeno (O2) attraverso un processo elettrochimico il cui risultato globale può essere così sinteticamente rappresentato:

dove il passaggio di corrente elettrica ( ) è in grado di effettuare la scissione elettrica (elettrolisi appunto) dell'acqua liquida in idrogeno ed ossigeno gassosi (nel riquadro sono disponibili i dettagli tecnici sul processo elettrochimico).

Il processo [4], grazie al quale l'idrogeno viene prodotto, richiede però energia elettrica ( ) per rendere negativo l'anodo e positivo il catodo.  Questa energia elettrica proviene, a sua volta, dalla produzione dell'energia termica prodotta nelle centrali a carbone, a gas metano, o a idrocarburi liquidi.  La produzione di idrogeno per alimentare i motori puliti delle nuove autovetture avverrà quindi con una produzione di CO2 altrove nelle centrali termiche.

Pertanto anche qui, come nel caso dei treni elettrici, si tratta solo di trasformare un inquinamento diffuso su tutto il territorio (dove circolano le autovetture) in altri luoghi dove si produce energia termica bruciando combustibili fossili.  Naturalmente il vantaggio per i centri storici in termini di minor inquinamento è innegabile, ma non si può dire che l'ingresso dell'autovettura ad idrogeno, così come ora illustrato, contribuisca ad uno sviluppo sostenibile giacché non si risparmiano le risorse naturali esauribili (carbone, gas metano, petrolio); né si può affermare che per il nostro pianeta ci sia una riduzione di "gas serra" (CO2) dal momento che si tratta solo di spostare il luogo di emissione dalle singole autovetture alle centrali termiche.

Ben diverso, invece, sarebbe la produzione di idrogeno per elettrolisi se la fonte energetica iniziale fosse rinnovabile e non inquinante.

 

B) Idrogeno dalle risorse energetiche veramente rinnovabili e non inquinanti

Ben diverso sarebbe (ed augurabilmente sarà) la produzione di idrogeno, sempre per elettrolisi, basata su centrali elettriche che, anziché sfruttare la combustione dei combustibili fossili destinati all'esaurimento, utilizzino l'energia solare, quella eolica, quella geotermica ed anche quella "idrica"*.

In questo caso sì che si potrebbe parlare di sviluppo sostenibile: infatti, oltre che dal consumo di risorse energetiche praticamente inesauribili, le nostre future generazioni trarrebbero vantaggio dal minor impatto ambientale derivante dall'assenza di emissioni di CO2 come invece si verifica nelle centrali termiche.

A parte l'energia idro-elettrica, da tempo sfruttata dall'uomo, le risorse energetiche dalle altre fonti naturali (solare, eolica e geotermica) sono attualmente ancora troppo costose (per la complessa tecnologia richiesta) ed inadeguate per la modesta quantità messa a disposizione.  Nel riquadro è mostrato il progetto Sbm in Australia per una centrale a Buronga (Australia), il cui inizio di costruzione è previsto nel 2003, basata sulla trasformazione di energia solare che genera energia cinetica (aria calda in movimento) trasformabile attraverso la rotazione delle turbine in energia elettrica.

Occorre che lo Stato investa moltissimo nella ricerca scientifica per rendere concorrenziale queste risorse rinnovabili con quelle non rinnovabili legate ai combustibili fossili e soprattutto al petrolio.

Occorre, inoltre, vincere le resistenze delle lobby petrolifere poco sensibili (con qualche meritevole eccezione) allo sviluppo sostenibile: a loro, infatti poco importa, oggi, se domani (nei prossimi 50-100 anni) il petrolio sarà stato tutto consumato ed il nostro pianeta irreversibilmente inquinato.

 

Progetto della SBM di una centrale eolica da realizzare nel 2005 a Buronga, Australia.

 


* Con il termine di energia "idrica" possiamo definire quella associata all'energia cinetica provocata dalla caduta di acqua che mette in movimento le turbine; attraverso alternatori il movimento delle turbine è trasformato in energia idro-elettrica.  Essa è già ampiamente utilizzata nei paesi dove i corsi di acqua naturali possono essere, grazie ad opportuni sbarramenti (dighe), generare adeguate portate e cadute in altezza della massa d'acqua.  In Italia questa fonte di energia rinnovabile ammonta a poco meno di ¼ rispetto al totale di energia prodotta.


 

Nell'acqua liquida, oltre alle molecole neutre formate da due atomi di idrogeno (H) legati ad un atomo di ossigeno (O) – in forma di H2O – esistono anche in concentrazioni ridottissime i cosiddetti ioni positivi ("cationi") in forma di H+ e di ioni negativi ("anioni") in forma di OH.

Quattro ioni H+ sono attratti dall'elettrodo negativo ("catodo") al quale catturano quattro elettroni (e) per formare due molecole di idrogeno gassoso (H2) neutro secondo la seguente reazione elettrochimica:

4H+ + 4e  2H2            [a]

Sull'altro elettrodo avviene il processo opposto di cessione di cariche elettriche negativa in forma di elettroni (e) che vengono catturati dall'elettrodo positivo (anodo):

4OH  2H2O + O2 + 4e         [b]

Non appena i quattro H+ ed i quattro OH sono scomparsi per effetti dei processi [a] e [b], vengono ripristinati con il seguente processo:

4H2O  4H+ + 4OH               [c]

Le somma dei processi [a], [b] e [c], sommando tra loro i termini a sinistra (prodotti di partenza) e quelli a destra delle frecce (prodotti ottenuti), è così rappresentabile:

4H2O + 4OH + 4H+ + 4e  4H++ 4OH + 2H2O + 2H2 + O2 +4e              [d]

che può essere più semplicemente rappresentato con la reazione [4] (vedere nel testo principale):

Ma questo processo non è avvenuto "gratuitamente".  Esso ha richiesto un costo dovuto al consumo di energia elettrica ( ) senza la quale la reazione [4] non può assolutamente avvenire spontaneamente.