I motori a combustione di idrogeno sembrano sempre più fattibili con il settore dei trasporti in evoluzione

Con le normative che limitano le emissioni di CO2 in aumento a livello globale, la ricerca di trasporti sostenibili ci ha portato all’idrogeno come carburante alternativo. 

L’idrogeno (H) è emerso come un’opzione promettente grazie alla sua capacità di bruciare senza emissioni di gas serra. Questo elemento combustibile è incolore, insapore, inodore e ha una densità energetica relativamente alta, il che significa che l’idrogeno contiene molta energia per unità di volume, rendendolo una fonte di carburante eccellente per i veicoli. 

Questo elemento più leggero ha ricevuto notevole interesse da parte del settore dei trasporti per alimentare veicoli elettrici tramite celle a combustibile. Tuttavia, i motori a combustione interna di idrogeno (HICE) sono ora in fase di esplorazione per raggiungere zero emissioni. Ma di cosa si tratta?

Che cos’è la combustione dell’idrogeno?

L’idrogeno è un elemento chimico, e la combustione è un processo chimico che rilascia energia da una miscela di carburante e aria. La combustione dell’idrogeno, sia in forma liquida che gassosa, genera forza. 

Grazie al suo ampio intervallo di infiammabilità, l’idrogeno è ben adatto alla combustione. Offre un’eccellente economia di carburante e possiede un’alta temperatura di autoaccensione, consentendo rapporti di compressione più elevati che riducono la perdita di energia durante la combustione. Inoltre, una temperatura finale di combustione più bassa minimizza il numero di inquinanti emessi attraverso lo scarico.

Come funziona realmente questo motore a combustione pulita in un veicolo? 

L’idrogeno, a differenza della benzina liquida, è un gas che richiede un sistema di erogazione del carburante speciale. A tal fine, serbatoi di stoccaggio ad alta pressione contengono il gas idrogeno, garantendo una capacità di carburante sufficiente per soddisfare la domanda di un viaggio. 

Una valvola di controllo, nel frattempo, regola il flusso di gas nel collettore di aspirazione del motore, garantendo una miscela aria-carburante ottimale per una combustione efficiente. Durante il processo di aspirazione, il carburante viene mescolato con l’aria e introdotto nel cilindro.

Per ottenere una combustione pulita ed efficiente, è necessaria una corretta miscela aria-carburante. I motori a combustione di idrogeno impiegano sistemi di iniezione del carburante sofisticati per ridurre al minimo le emissioni nocive e ottimizzare la potenza erogata.

Il pistone comprime la miscela appropriata di carburante e aria, e le candele ad alta energia la accendono, provocando la combustione. Poiché l’idrogeno brucia rapidamente e rilascia calore significativo, i gas di combustione si espandono rapidamente.

Questi gas in espansione spingono il pistone, il cui movimento viene convertito in potenza rotazionale attraverso l’albero motore. Questa forza poi spinge le ruote, facendo avanzare il veicolo. 

Questo processo illustra l’esperienza di guida più pulita e potente che i motori a combustione di idrogeno possono offrire, promettendo un futuro di trasporti più sostenibile. Tuttavia, la velocità rapida e le alte temperature nei motori a combustione interna di idrogeno (HICE) sono raggiunte attraverso materiali compatibili con l’idrogeno, design avanzato del motore e tecnologia innovativa di iniezione del carburante.

In che modo differisce dalle celle a combustibile a idrogeno? 

L’idrogeno viene utilizzato nel settore dei trasporti in due modi distinti: tramite celle a combustibile e motori a combustione. Sebbene entrambi i processi utilizzino l’idrogeno a zero emissioni di carbonio, lo sfruttano in modi diversi per alimentare i veicoli.

Come accennato sopra, i motori a combustione di idrogeno producono energia bruciando l’idrogeno, proprio come i motori tradizionali. Qui, l’idrogeno viene mescolato con l’aria per creare un’esplosione controllata, generando energia meccanica per spingere il veicolo. 

Le celle a combustibile e i veicoli a idrogeno, nel frattempo, convertono l’idrogeno in elettricità attraverso un processo chimico. In questo processo, un dispositivo elettrochimico converte idrogeno e ossigeno in elettricità, calore e vapore acqueo. Più specificamente, genera elettricità separando l’idrogeno in un protone e un elettrone. Questa elettricità alimenta poi un motore elettrico che muove il veicolo.  

I veicoli a celle a combustibile (FCEV) sono più efficienti a carichi inferiori, mentre i motori a combustione di idrogeno funzionano meglio sotto carichi più elevati. Questo rende gli HICE una scelta migliore per i camion pesanti che trasportano grandi carichi nella maggior parte del tempo. Al contrario, auto, autobus e veicoli di soccorso possono trarre maggior beneficio dalle celle a combustibile, poiché operano generalmente con carichi molto più bassi. 

Tuttavia, dato che entrambi utilizzano l’idrogeno, producono emissioni simili. I veicoli a celle a combustibile non generano emissioni, mentre i motori a combustione di idrogeno emettono tracce quasi nulle di CO2, sebbene possano produrre NOx o ossidi di azoto. Inoltre, i motori a idrogeno possono funzionare con idrogeno di qualità inferiore, il che consente casi d’uso specifici.

I motori a combustione interna di idrogeno sono in uso da decenni e non richiedono un cambiamento dell’infrastruttura. Pertanto, per i produttori di veicoli, passare a un motore a idrogeno è meno impegnativo grazie all’uso della tecnologia esistente. Le celle a combustibile, d’altra parte, sono più leggere, più silenziose e note per la loro alta efficienza. Convertono fino al 60% dell’energia immagazzinata nell’idrogeno in energia elettrica.

Poiché operano a temperature più basse rispetto ai motori a combustione, le celle a combustibile hanno anche un rischio minore di incendio o esplosione. Tuttavia, essendo una tecnologia relativamente nuova, le celle a combustibile sono un’opzione più costosa rispetto ai motori a combustione di idrogeno.

Questo non significa che siano in competizione tra loro, ma piuttosto che gli HICE e i FCEV si completano a vicenda. Dopotutto, entrambi coinvolgono la stessa produzione, stoccaggio, trasporto e distribuzione dell’idrogeno e fanno parte della riduzione delle emissioni dei trasporti verso zero.

Valutare i pro e i contro della combustione dell’idrogeno

Quindi, l’uso dell’idrogeno ha chiaramente vantaggi significativi, ma che dire della combustione dell’idrogeno in particolare? Bene, come abbiamo affermato sopra, il principale beneficio è l’impatto ambientale degli HICE. 

Questi motori sono noti per avere un sottoprodotto pulito, principalmente vapore acqueo, offrendo un vantaggio significativo rispetto ai tradizionali motori a benzina. Oltre a contribuire a ridurre le emissioni di gas serra, i motori a combustione di idrogeno hanno un’efficienza termica molto più alta, circa il 45%, rispetto ai motori diesel, che hanno meno del 40%, e ai motori a benzina, che hanno meno del 30%.

Un altro grande vantaggio degli HICE è che possono essere costruiti utilizzando la tecnologia dei motori a combustione interna esistente, quindi non è necessaria un’infrastruttura aggiuntiva o la riqualificazione della forza lavoro. Inoltre, l’elemento stesso può essere prodotto da varie fonti come biomassa, elettrolisi dell’acqua e gas naturale, dunque in grado di soddisfare la crescente domanda di energia pulita. 

Il caso dell’idrogeno come carburante è certamente forte, ma ciò non significa che non ci siano problemi. Infatti, i motori a combustione di idrogeno affrontano diverse sfide che devono essere affrontate. 

Per cominciare, è necessario un ampio spazio di stoccaggio per i serbatoi di idrogeno, il che aggiunge un notevole peso al veicolo. Questo, naturalmente, aumenta il rischio di usura, riducendo così la vita del veicolo. Il carburante brucia anche abbastanza facilmente, il che comporta pericoli per le parti del motore. Sfruttare l’idrogeno non è facile nemmeno. È un processo che richiede tempo e molta energia.

Nel frattempo, la sua densità energetica è inferiore, il che significa che la potenza generata è relativamente minore rispetto a quella dei motori a combustione convenzionali. Rispetto ad altri carburanti come la benzina, che richiedono un rapporto di compressione di 8:1, i motori a combustione di idrogeno necessitano di 40:1, il che presenta un altro problema. Per non parlare del fatto che la produzione di massa di questi motori è un compito costoso.

Mentre l’idrogeno viene scelto per le sue emissioni più basse, il motore a combustione crea comunque un’impronta di carbonio poiché comporta alcune emissioni di NOx, annullando lo scopo stesso di questi motori. Pertanto, è importante gestire il calore e le eventuali emissioni residue attraverso sistemi di post-trattamento.

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I motori a combustione di idrogeno sono il futuro?

I motori a combustione di idrogeno (HICE) esistono da decenni. Il primo aereo commerciale sperimentale al mondo a funzionare con idrogeno liquido, il Tupolev Tu-155, ha preso il volo nel 1988. Questo dimostra che gli HICE non sono così recenti come molti potrebbero pensare. 

Nonostante non abbiano guadagnato un’adozione diffusa negli anni, gli HICE hanno recentemente attirato un rinnovato interesse da parte di grandi marchi automobilistici, tra cui Toyota, Bosch, Honda, Cummins, Daimler, Suzuki e Volvo. Anche il settore aeronautico ha esplorato la combustione dell’idrogeno. Airbus, ad esempio, ha collaborato con partner di diversi settori per il suo aereo concettuale ZEROe, che è progettato per funzionare con la combustione di idrogeno. 

C’è un crescente interesse nell’utilizzo dei motori a combustione di idrogeno nel settore dei trasporti, ma per ora stanno affrontando una forte concorrenza da parte dei veicoli elettrici (EV). 

Mentre gli HICE producono emissioni quasi nulle, i veicoli elettrici dipendono dall’elettricità per l’alimentazione e, di conseguenza, vantaggiano zero emissioni allo scarico. I veicoli elettrici hanno anche una maggiore efficienza energetica rispetto agli HICE, che perdono parte dell’energia durante il processo di combustione.

Sebbene i veicoli elettrici richiedano una nuova infrastruttura, il numero di stazioni di ricarica sta aumentando rapidamente. Le stazioni per rifornire l’idrogeno, d’altra parte, sono piuttosto scarse, anche se il rifornimento di un’auto a idrogeno è più veloce rispetto alla ricarica di un’auto elettrica. 

Aziende come BYD, Tesla (TSLA ), Rivian, General Motors (GM ), Volvo e molte altre hanno compiuto enormi progressi nel campo dei veicoli elettrici. Il mercato dei veicoli elettrici (EV) era valutato a circa 384 miliardi di dollari nel 2022, mentre il mercato globale dei motori a combustione interna di idrogeno (HICE) è previsto di raggiungere 35 miliardi di dollari entro il 2030.

I produttori di automobili stanno ora sperimentando la tecnologia di combustione dell’idrogeno, ma i progressi sono relativamente lenti rispetto ai progressi nella tecnologia EV. L’industria deve superare numerosi ostacoli di produzione, come i costi, il che significa che i veicoli elettrici continueranno a dominare il settore dei trasporti per il momento. Tuttavia, gli HICE possono diventare una parte importante del mix di carburanti per i trasporti nel prossimo futuro. 

L’idrogeno semplicemente non può essere ignorato come carburante, e gli HICE hanno un ruolo cruciale da svolgere nel futuro dei trasporti sostenibili. Tuttavia, per rendere ciò possibile, sostegno governativo e i progressi tecnologici sono necessari.

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Sviluppi recenti nel campo degli HICE

Negli ultimi dieci anni, la decarbonizzazione è diventata estremamente importante per paesi e aziende in tutto il mondo. Il settore dei trasporti è particolarmente critico, dato che produce il 10% delle emissioni globali di gas serra. 

Secondo gli accordi di Parigi (COP21) e Glasgow (COP26), la tecnologia di propulsione dei trasporti deve ridurre rapidamente la CO2. Per questo, abbiamo bisogno di una soluzione efficace, ma non ce n’è una che possa fornire tutte le risposte. Una combinazione di soluzioni diverse può effettivamente aiutare a mitigare i problemi più efficacemente. Questo include i motori a combustione di idrogeno, che richiedono cambiamenti minimi all’architettura attuale dei veicoli.

Come opzione logica e altamente efficiente, gli HICE stanno guadagnando molta trazione e avanzamento. Recentemente, ricercatori dell’Università di Alberta hanno ideato un nuovo materiale di rivestimento che sembra promettente per i motori a combustione di idrogeno. La nuova lega concentrata complessa, AlCrTiVNi5, ha proprietà termomeccaniche superiori, tra cui bassa espansione, alta stabilità, tolleranza alla frattura e capacità di resistere a temperature elevate così come a ambienti ad alta pressione.

Confrontando il nuovo rivestimento con le leghe commercialmente disponibili esistenti, i ricercatori hanno scoperto che AlCrTiVNi5 sopravvive a “ambienti corrosivi per fino a 100 ore a 900 gradi Celsius” e “supera qualsiasi altra cosa sul mercato attuale”, aprendo così la porta all’avanzamento dell’economia dell’idrogeno.

All’inizio di questo mese, Toyota ha anche annunciato che nel tentativo di rendere la combustione dell’idrogeno fattibile, ha creato un motore a combustione interna in grado di funzionare con carburante sintetico, biodiesel, benzina e idrogeno. Per realizzare ciò, gli ingegneri hanno utilizzato un motore da 1,6 litri della GR Corolla da corsa, il che ha aiutato l’azienda a superare la sfida di bilanciare l’efficienza termica. I suoi nuovi motori sono dal 10% al 20% più piccoli ma più potenti.

Secondo il CEO di Toyota Koji Sato, l’idrogeno è il futuro, e l’azienda è:

“Sviluppare questo motore come parte dei suoi sforzi per raggiungere la neutralità carbonica e promuovere l’uso dell’idrogeno come fonte di energia pulita e rinnovabile.”

Questo sviluppo legato all’idrogeno sta avvenendo in tutto il mondo. Alla fine dello scorso anno, la più grande azienda automobilistica dell’India, Tata Motors (TMCV.BO ) (TMCV ), ha svelato strutture di R&D che includono una cella di prova del motore per lo sviluppo di HICE e l’infrastruttura per lo stoccaggio e la distribuzione del carburante a idrogeno.

Quest’anno, Tata ha collaborato con il gigante statunitense Cummins per una struttura di produzione in India per gli HICE destinati sia a veicoli commerciali medi che pesanti. Questo arriva dopo la joint venture annunciata lo scorso anno, che avrebbe speso 424 milioni di dollari per la fabbrica per produrre 4.000 motori H2 all’anno e 10.000 sistemi di batterie.

Aziende che sviluppano motori a combustione di idrogeno

Ora, diamo un’occhiata a un paio di grandi nomi del settore: 

#1. Honda

Questo produttore di automobili è stato attivamente impegnato nei motori a combustione di idrogeno tramite un progetto collaborativo chiamato HySE (Hydrogen Small Mobility & Engine Technology) con Toyota, Yamaha, Kawasaki e Suzuki per esplorare il potenziale degli HICE. Inizialmente scettico sulla fattibilità della tecnologia, Honda ha sviluppato il ‘HySE-X1’, che presenta un motore a idrogeno a quattro cilindri da 1,6 litri. 

Honda è una società con una capitalizzazione di mercato di 56,188 miliardi di dollari, le cui azioni attualmente sono scambiate a 31,93 dollari, in rialzo del 3,25% YTD. Il fatturato dell’azienda (TTM) è stato di 130 miliardi di dollari, EPS (TTM) di 7,37, P/E (TTM) di 4,33 e un rendimento del dividendo del 4,19%.

#2. Toyota

Questo produttore di auto con sede in Giappone utilizza l’idrogeno come carburante da molte decadi. I suoi veicoli a combustione di idrogeno includono la GR Corolla H2 e la GR Yaris H2. Toyota ha anche partecipato alle gare di resistenza Super Taikyu per accelerare lo sviluppo dei suoi veicoli. Proprio questa settimana, Toyota ha mostrato i suoi nuovi motori che possono funzionare con diversi carburanti, incluso l’idrogeno.

Toyota è una società con una capitalizzazione di mercato di 314 miliardi di dollari, le cui azioni attualmente sono scambiate a 198,86 dollari, in rialzo dell’8,53% YTD. Il fatturato dell’azienda (TTM) è stato di 287 miliardi di dollari, EPS (TTM) di 24,18, P/E (TTM) di 8,22 e un rendimento del dividendo del 2,45%.

Conclusione

È chiaro che i motori a combustione di idrogeno offrono grandi benefici in termini di ridotto impatto ambientale, dipendenza dall’infrastruttura esistente e alta efficienza termica. Ma, naturalmente, gli HICE da soli non potranno fornire trasporti sostenibili. Piuttosto, attraverso una combinazione di soluzioni, possiamo raggiungere un ambiente più sicuro. In quella combinazione, però, gli HICE possono svolgere un ruolo cruciale e aiutare la transizione lontano dai combustibili fossili. 

Ora, dopo decenni di potenziale non realizzato, i veicoli alimentati a idrogeno potrebbero finalmente essere sotto i riflettori grazie al rinnovato interesse, agli investimenti privati, al sostegno governativo e ai progressi tecnologici. 

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