Com’è ormai ben noto da tempo anche al grande pubblico, il principale problema della mobilità basata sul motore a combustione interna è la produzione di gas serra come effetto della combustione di carburanti organici (cioè a base carboniosa), tra cui spiccano quelli di origine fossile. La rivoluzione in termini di mobilità sostenibile è ormai realtà grazie a due principali tecnologie: il motore elettrico e il motore a idrogeno.
La mobilità elettrica e quella a idrogeno sono due approcci distinti per ridurre le emissioni di carbonio nel settore dei trasporti. Tuttavia, esistono differenze sostanziali tra le due alternative. L’aspetto per cui i due tipi di mobilità differiscono sensibilmente è quello relativo al cosiddetto rendimento termodinamico, partendo dalle fonti primarie di energia. In parole povere, nel caso di un autoveicolo, il rendimento termodinamico dà un’indicazione della quantità di energia necessaria per far muovere quel veicolo, cioè misura quanto stiamo ottenendo in termini di risultati utili rispetto a quanto stiamo investendo in termini di energia. Con “energia necessaria” si intende l’insieme di tutti i contributi, da quelli necessari alla produzione e al trasporto del carburante, fino a quelli relativi alla costruzione del veicolo. Un altro aspetto fondamentale per cui i due tipi di mobilità differiscono è la cosiddetta impronta ecologica, che misura la quantità di risorse naturali necessarie per lo svolgimento di una certa attività. Più nello specifico, si può introdurre il concetto di impronta di carbonio, che fornisce una stima delle emissioni di gas serra causate dal fenomeno studiato (che nel caso specifico è la mobilità).
Con queste premesse e attraverso le suddette definizioni, è possibile paragonare i due tipi di mobilità in maniera un po’ più approfondita.
Mobilità Elettrica
Nel caso della mobilità elettrica, l’energia viene prodotta nelle centrali elettriche, dove può provenire da diverse fonti primarie come carbone, gas naturale, petrolio, energia nucleare, energia solare o eolica. In base alla fonte primaria utilizzata, gli indici relativi all’impronta ecologica e a quella di carbonio possono variare enormemente. Infatti, se l’energia è prodotta a partire dai combustibili fossili, entrambi gli indici saranno sicuramente più alti rispetto a fonti di energia primaria di tipo rinnovabile, e quindi in questo caso la mobilità elettrica non potrà essere considerata propriamente sostenibile. La fonte primaria di energia viene convertita in energia elettrica con un determinato rendimento, che dipende dalla fonte primaria stessa e delle modalità di conversione ad energia elettrica.
Una volta prodotta, l’energia elettrica viene trasferita attraverso la rete elettrica per essere utilizzata nei veicoli elettrici (EV). Durante il processo di ricarica delle batterie degli EV, avviene una conversione dell’energia elettrica, con un certo grado di perdite di energia sotto forma di calore, dovute all’efficienza di carica e scarica delle batterie stesse. L’energia accumulata nelle batterie viene quindi utilizzata per alimentare il motore elettrico dei veicoli, che converte l’energia elettrica in movimento meccanico. I motori elettrici hanno un rendimento elevato, tipicamente superiore al 90%, il che significa che solo una piccola quantità di energia si perde sotto forma di calore e attrito durante la conversione.
Rispetto alle fonti primarie di energia utilizzate per generare elettricità, la mobilità elettrica può beneficiare delle energie rinnovabili come l’energia solare o eolica. Quando gli EV sono alimentati da fonti di energia rinnovabile, la sostenibilità complessiva del sistema è significativamente alta, poiché l’energia viene prodotta senza le emissioni di carbonio associate a combustibili fossili.
Mobilità a Idrogeno
Nel caso della mobilità a idrogeno, l’energia primaria viene utilizzata per estrarre l’idrogeno da una fonte di energia primaria come gas naturale, carbone o acqua, tramite processi come il cosiddetto “steam reforming” a partire da metano, o l’elettrolisi dell’acqua. Questi processi di produzione dell’idrogeno hanno una resa energetica inferiore rispetto alla produzione di energia elettrica diretta.
Successivamente, l’idrogeno prodotto viene compresso o liquefatto per essere trasportato e immagazzinato. Questa fase comporta anche una perdita di energia. Una volta che l’idrogeno viene utilizzato nei veicoli a idrogeno, viene fatto reagire con l’ossigeno per semplice combustione, nel caso di veicoli a idrogeno con motore a combustione interna, oppure la reazione avviene in una pila a combustibile per generare energia elettrica, che alimenta il motore elettrico del veicolo.
Il rendimento complessivo della mobilità a idrogeno dipende dal rendimento delle diverse fasi del processo, compresa la produzione, lo stoccaggio, la distribuzione e la conversione finale dell’energia chimica dell’idrogeno in movimento utile del veicolo (energia cinetica). Globalmente, il rendimento termodinamico della mobilità a idrogeno è inferiore rispetto alla mobilità elettrica diretta. Si stima che solo circa il 25-30% dell’energia primaria venga effettivamente utilizzato per spostare il veicolo a idrogeno, a causa delle perdite nelle diverse fasi del processo.
Sostenibilità ambientale e convenienza a confronto
Sostenibilità ambientale
- Emissioni di gas serra:
La locomozione elettrica genera zero emissioni locali durante il funzionamento, se l’energia elettrica utilizzata proviene da fonti rinnovabili. D’altra parte, la locomozione a idrogeno produce emissioni di gas serra solo se l’idrogeno viene prodotto da fonti di energia non rinnovabile, come il gas naturale. Se l’idrogeno viene prodotto da elettrolisi alimentata da energia rinnovabile (il cosiddetto “idrogeno verde”), il processo può essere considerato a emissioni zero.
- Utilizzo di risorse:
La produzione di veicoli elettrici richiede batterie al litio, che richiedono l’estrazione di minerali come il litio, il cobalto e il nichel. L’estrazione di queste risorse può avere un impatto ambientale significativo. Tuttavia, come menzionato nel precedente articolo di questo blog, è importante menzionare la nuova tecnologia delle batterie al sodio, che potrebbero contribuire sensibilmente a ridurre l’impatto ambientale della mobilità elettrica (sia nella fase di produzione, sia in quella di smaltimento). D’altra parte, la produzione di veicoli a idrogeno richiede celle a combustibile che possono utilizzare platino o altri materiali costosi e a volte rari. L’estrazione e la lavorazione di tali materiali possono avere un impatto ambientale significativo.
- Infrastruttura di ricarica:
La locomozione elettrica richiede un’infrastruttura di ricarica diffusa per consentire la ricarica dei veicoli. Questa infrastruttura può essere alimentata da fonti di energia rinnovabile, rendendo il sistema complessivamente sostenibile. D’altra parte, la locomozione a idrogeno richiede la costruzione di stazioni di rifornimento di idrogeno, che richiedono una quantità significativa di energia per la produzione e la compressione dell’idrogeno. Sono da menzionare, tuttavia, gli enormi sforzi che la ricerca sta dedicando alla cosiddetta tecnologia dell’idrogeno a bassa pressione.
Convenienza
- Costi iniziali:
Attualmente, i veicoli elettrici hanno un costo iniziale inferiore rispetto ai veicoli a idrogeno. Le batterie al litio utilizzate nei veicoli elettrici stanno diventando sempre più economiche grazie alla riduzione dei costi di produzione e all’aumento della scala di produzione. Le celle a combustibile per i veicoli a idrogeno, d’altra parte, sono ancora costose a causa dei materiali utilizzati, ma si può prevedere che, come per le batterie agli ioni di litio, anche le celle a combustibile potrebbero presto andare incontro a una sensibile diminuzione dei costi.
- Autonomia e tempi di ricarica:
I veicoli elettrici hanno fatto grandi progressi nella capacità delle batterie e nell’autonomia. I tempi di ricarica stanno diminuendo grazie all’adozione di tecnologie di ricarica rapida. I veicoli a idrogeno, d’altra parte, possono essere riempiti rapidamente come i veicoli a benzina. Inoltre, attualmente l’autonomia dei veicoli a idrogeno compete con (se non addirittura surclassa) quella dei veicoli elettrici. Questo aspetto è di fondamentale importanza per altri tipi di mobilità, come quella via nave o via aereo, per i quali è fondamentale garantire una lunga autonomia. In questi settori, gli investimenti sulle tecnologie a idrogeno saranno probabilmente fondamentali.
- Infrastruttura di rifornimento:
Attualmente, l’infrastruttura di ricarica per i veicoli elettrici è più diffusa rispetto alle stazioni di rifornimento di idrogeno. Tuttavia, le stazioni di rifornimento di idrogeno stanno aumentando gradualmente in alcune regioni del mondo.
- Efficienza energetica:
I veicoli elettrici sono generalmente più efficienti dei veicoli a idrogeno in termini di conversione dell’energia elettrica in movimento. Ciò significa che i veicoli elettrici possono ottenere una maggiore autonomia utilizzando la stessa quantità di energia rispetto ai veicoli a idrogeno.
- Sicurezza:
Su questo aspetto, la battaglia ideologica infuria. Su YouTube spopolano video di auto elettriche che esplodono, ma anche di auto elettriche che superano il test di attraversamento di un fiume. È diventato un caso il recente episodio alluvionale dell’Emilia-Romagna, per cui alcuni si sono interrogati su cosa sarebbe successo se le macchine elettriche fossero state molte di più, e come sarebbe stato difficile ripristinare le colonne di ricarica danneggiate in seguito a un evento meteorologico di tale portata. Dall’altro lato, come già ampiamente menzionato, molti sono preoccupati per il potenziale esplosivo dell’idrogeno compresso.
In sintesi, dal punto di vista del rendimento termodinamico a partire dalle fonti primarie di energia, la mobilità elettrica presenta un rendimento complessivo migliore rispetto alla mobilità a idrogeno. L’energia elettrica può essere prodotta con un rendimento relativamente alto dalle fonti primarie e può beneficiare direttamente delle energie rinnovabili. Invece, la produzione, lo stoccaggio e la conversione dell’idrogeno comportano perdite significative di energia, riducendo il rendimento complessivo del sistema a idrogeno. Tuttavia, le questioni relative alla sicurezza sono ancora ampiamente dibattute. Dovendo tirare le somme, sembrerebbe che, attualmente, la locomozione elettrica offra un’opzione più conveniente e sostenibile rispetto alla locomozione a idrogeno. Tuttavia, entrambe le tecnologie continuano a svilupparsi e migliorare, e potrebbero essere integrate per soddisfare le diverse esigenze dei trasporti su strada in futuro. La scelta tra le due dipenderà dalle risorse locali disponibili, dalle politiche energetiche e dalle preferenze dei consumatori.
Per concludere, si invitano i lettori a riflettere attentamente sul numero di passaggi (trasformazioni energetiche) coinvolti nei due tipi di mobilità, ma anche a tenere in considerazione i rischi collegati a ciascun passaggio. Se infatti consideriamo il caso migliore per quanto riguarda la mobilità elettrica (cioè conversione diretta da energia solare a energia elettrica), la sequenza è
solare> elettrico>chimico (batteria)>elettrico>movimento.
Nel caso migliore per la mobilità a idrogeno (cioè conversione diretta dell’energia solare in energia chimica attraverso la fotolisi dell’acqua per produrre idrogeno), la sequenza è
solare>chimico (idrogeno)>elettrico>movimento.
Solo sulla base del numero di passaggi (sono totalmente ignorati i dati relativi al rendimento di ciascun passaggio), la mobilità a idrogeno sembrerebbe più conveniente, ma, oltre a considerare i rendimenti di ciascun passaggio, bisogna ricordare che i rischi relativi al trasporto e allo stoccaggio di idrogeno sono molto superiori rispetto a quelli connessi al trasporto e allo stoccaggio dell’energia elettrica (anche se su questo aspetto, molti hanno qualcosa da opinare, facendo riferimento ai suddetti video su YouTube). Quest’ultimo aspetto difficilmente vedrà un’inversione tra le due tecnologie, perché lo stoccaggio di idrogeno sarà sempre un potenziale pericolo su un Pianeta come il nostro, la cui atmosfera è costituita dal 21% da ossigeno, cioè il perfetto comburente per la combustione di idrogeno a dare acqua.
Treni, navi, camion e aerei a idrogeno
L’idrogeno, tuttavia, non può e non deve essere considerato come un carburante destinato a sparire dalle scene. Esistono infatti molte situazioni in cui il motore elettrico alimentato con le batterie agli ioni di litio non può garantire le performance necessarie, per motivi di spazio, autonomia, e potenza richiesta. Attualmente, molti gruppi di ricerca e aziende stanno cercando di estendere l’utilizzo dell’idrogeno come combustibile al trasporto ferroviario, marittimo, e aereo, oltre a quello pesante su gomma. Quindi gli investimenti per la mobilità a idrogeno sono importanti tanto quanto quelli per la mobilità elettrica, e in certi settori l’idrogeno rappresenterà sicuramente l’alternativa migliore. In una contingenza delicata come quella che stiamo affrontando (pandemia, guerra, crisi economica, crisi sociale, crisi ambientale, crisi climatica), è fondamentale che gli investitori nei due settori evitino battaglie ideologiche per ostacolarsi a vicenda, ma siano piuttosto consapevoli della necessità di valutare attentamente come distribuire le due tecnologie tra le varie tipologie di mobilità. Non solo c’è spazio per entrambi gli investimenti, ma sono entrambi necessari, e i promotori di tali investimenti dovrebbero unire le forze per impedire che i governi decidano di finanziare iniziative che, più o meno dichiaratamente, continuano a sostenere il mercato del fossile (visto che il vero nemico è rappresentato dall’insieme dei gas serra). La lezione sulla necessità di diversificare gli approvvigionamenti energetici è stata uno dei pochi effetti collaterali positivi del conflitto russo-ucraino. Ma siccome la provocazione costruttiva è una parte integrante di quest’associazione, ci teniamo a precisare che non era necessaria una guerra per capirlo: la Natura, con la sua immensa biodiversità, è un esempio lampante di come la diversità sia un valore e non qualcosa di cui avere paura.
La speranza è che questo articolo stimoli i lettori a valutare attentamente tutti i possibili scenari, e che serva da spunto di riflessione per il prossimo incontro online, in cui saranno approfonditi altri aspetti e ricerche in corso. Marco Matteini, fondatore e presidente di NE.M.E.SYS, ci racconterà la sua esperienza, illustrando alcune prospettive tecnologiche per la transizione energetica. Seguiranno presto aggiornamenti.
Per ulteriori approfondimenti (più o meno provocatori), si veda:
Tech economy 2030 – Elettrico o idrogeno?
Rinnovabili.it – Auto elettriche VS auto a idrogeno: chi è più efficiente?
La Chimica e l’Industria Online – Transizione energetica: mobilità ad idrogeno
QualEnergia.it – Veicoli pesanti a zero emissioni: elettrico in testa, idrogeno solo verde e a certe condizioni
Euronews – Trasporti, la rivoluzione a idrogeno è davvero alle porte?
YouTube – Cos’è l’IDROGENO e perché NON salverà il mondo (per ora)
Simone Potenti
