Come funzionano le auto a idrogeno

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I visitatori guardano la Honda FCX Clarity al salone dell'auto Auto China 2008 a Pechino, il 20 aprile 2008. AP Photo / Oded Balilty

L'auto del futuro è qui oggi. Ovviamente non puoi ancora comprarne uno; ma se vivi in ​​California puoi affittarne uno. Non usa benzina e non inquina l'aria. Infatti, produce vapore invece di scarico. Allora qual è il carburante misterioso? Idrogeno: l'elemento più semplice e più abbondante nell'universo. E alcune persone pensano che tra 20 o 30 anni guideremo tutti questi veicoli a idrogeno a basso consumo di carburante.

Sebbene le auto a idrogeno abbiano una qualità fantascientifica, l'idea non è davvero nuova. In realtà, la tecnologia per utilizzare l'idrogeno per generare energia esiste dalla prima parte del 19 ° secolo, un tempo più lungo delle automobili. La novità è che potresti effettivamente vedere un'auto alimentata a idrogeno sulla strada, con il vapore che esce dal tubo di scappamento invece di gas maleodoranti. Attualmente esistono diverse auto a idrogeno, ma la maggior parte di esse sono concept car. Queste macchine da guida eco-compatibili includono la Chevrolet Equinox, la BMW 745h e quella attualmente disponibile per il noleggio in California, la Honda FCX.

Ciò che rende possibile un'auto a idrogeno è un dispositivo chiamato a cella a combustibile, che converte l'idrogeno in elettricità, emettendo solo calore e acqua come sottoprodotti. Poiché non è inquinante, l'idrogeno sembra il carburante ideale per il 21 ° secolo. Molte persone nel governo e nell'industria automobilistica sono entusiaste del suo potenziale. Le auto a idrogeno hanno il potenziale per ridurre i consumi e offrire la speranza di una guida ecologica ed ecologica. Ma ci sono ancora molti problemi che devono essere superati e domande a cui occorre rispondere prima che l'idrogeno diventi il ​​combustibile preferito da un numero sufficiente di persone per fare molta differenza nel nostro uso attuale dei combustibili fossili. Ad esempio, dove prenderemo l'idrogeno? Quanto costano queste auto a basso consumo di carburante da acquistare? Riuscirai a trovare una stazione di rifornimento di idrogeno per riempire il tuo serbatoio? E, forse la cosa più importante, come carburante, l'idrogeno è davvero non inquinante come sembra?

Daremo un'occhiata a queste domande nelle pagine che seguono, ma possiamo darti una risposta rapida in questo momento: a meno che tu non viva in parti molto specifiche del paese e abbia le tasche piene di soldi, non aspettarti un'auto a idrogeno nel tuo vialetto entro il prossimo decennio.

Contenuti
  1. Celle a combustibile a idrogeno
  2. Produzione di auto a idrogeno
  3. Battute d'arresto delle auto a idrogeno
Un autobus alimentato a celle a combustibile a idrogeno lascia il Connecticut Convention Center di Hartford, Connecticut, per un giro dimostrativo. AP Photo / Bob Child

Nel 1839, lo scienziato gallese Sir William Robert Grove prese il familiare processo elettrochimico dell'elettrolisi, che utilizza l'elettricità per produrre idrogeno dall'acqua, e lo invertì, generando elettricità e acqua dall'idrogeno. Ha chiamato la sua invenzione una batteria voltaica a gas, ma oggi la conosciamo come una cella a combustibile a idrogeno. Molto più tardi, a metà del XX secolo, la tecnologia è stata ulteriormente sviluppata dall'inventore Francis Bacon. La tecnologia ideata da questi due inventori è essenziale per il funzionamento di un'auto a idrogeno.

Il primo pratico sistema di celle a combustibile è stato sviluppato all'inizio degli anni '60 dalla General Electric per l'uso nelle capsule spaziali orbitali. E poi, negli anni '90, le celle a combustibile hanno iniziato ad apparire negli autobus urbani. quindi sappiamo che alimentare veicoli con celle a combustibile è fattibile. Puoi pensare a una cella a combustibile come a una sorta di batteria, tranne per il fatto che mentre una batteria mantiene il suo carburante al suo interno, una cella a combustibile deve essere ricaricata. Il carburante per una cella a combustibile a idrogeno è, come suggerisce il nome, l'idrogeno. Come potresti ricordare dalla lezione di chimica del liceo, l'idrogeno è il più semplice di tutti gli elementi. Un atomo di idrogeno è costituito da un singolo elettrone e un singolo protone. La cella a combustibile genera elettricità rimuovendo gli elettroni dai protoni e utilizzando gli elettroni per creare un flusso di elettricità pura. Gli atomi di idrogeno ionizzato si combinano quindi con l'ossigeno per formare l'acqua. L'altro sottoprodotto di questo processo è il calore, quindi quest'acqua assume generalmente la forma di vapore. Che ne dici di una guida ecologica?

Il tipo di cella a combustibile utilizzata nelle automobili è la cella a combustibile a membrana di scambio polimerico (o PEM). Le celle a combustibile PEM hanno il vantaggio di essere leggere e piccole. Sono costituiti da due elettrodi (un anodo caricato negativamente e un catodo caricato positivamente), un catalizzatore e una membrana. L'idrogeno viene forzato nella cella a combustibile all'anodo sotto forma di molecole di H2, ciascuna delle quali contiene due atomi di idrogeno. Un catalizzatore all'anodo rompe le molecole in ioni idrogeno (i protoni) e un flusso di elettricità (gli elettroni). Gli ioni passano attraverso la membrana, ma l'elettricità deve circolare. Mentre lo fa, può essere sfruttato per lavorare. Proprio come l'idrogeno viene forzato nella cella a combustibile all'anodo, l'ossigeno viene forzato nel catodo. I protoni e gli elettroni si riuniscono al catodo e si uniscono all'ossigeno per formare l'acqua, la maggior parte della quale diventa lo scarico della cella a combustibile. Le celle a combustibile sono progettate per essere piatte e sottili, principalmente per poter essere impilate. Più celle a combustibile sono presenti nella pila, maggiore è la tensione dell'elettricità prodotta dalla pila.

Molte persone pensano che i veicoli a basso consumo di carburante come le auto alimentate a idrogeno saranno cruciali per soddisfare le esigenze energetiche del 21 ° secolo. Nel 2003, il presidente George W. Bush ha annunciato un'iniziativa Freedom Fuel da 1,2 miliardi di dollari a sostegno dello sviluppo della tecnologia delle celle a combustibile. Le celle a combustibile hanno due principali vantaggi rispetto ai combustibili fossili. In primo luogo, non esauriscono l'offerta limitata mondiale di petrolio, il che ci aiuta a preservare le forniture esistenti e potrebbero anche ridurre la nostra dipendenza dal petrolio straniero. In secondo luogo, l'unico sottoprodotto del funzionamento di una cella a combustibile è il calore e l'acqua, il che significa che le celle a combustibile non producono inquinamento. Questo è di vitale importanza in un'epoca in cui si ritiene che le emissioni di carbonio delle automobili promuovano il riscaldamento globale.

Nella pagina successiva vedremo come vengono prodotte le auto a idrogeno e le celle a combustibile. E forse ancora più importante vedremo da dove verrà l'idrogeno stesso.

La Terra ha molto idrogeno disponibile sotto forma di acqua; tuttavia, separarlo, raccoglierlo e conservarlo può rivelarsi abbastanza difficile. AP Photo / NASA

Quindi, come fanno i produttori a costruire effettivamente veicoli a basso consumo di carburante, come le auto a celle a combustibile? Ebbene, la produzione di auto a idrogeno non è molto diversa dalla produzione di auto tipiche. Naturalmente, la trasmissione, ad esempio, e gli impianti elettrici saranno in qualche modo unici perché una cella a combustibile crea elettricità. Pertanto, un'auto alimentata a idrogeno e un'auto elettrica hanno molto in comune sotto questo aspetto. Forse una domanda più importante è come verrà prodotto l'idrogeno stesso. Dato che l'idrogeno è l'elemento più abbondante nell'universo, costituendo circa il 90% degli atomi esistenti, penseresti che questo non sarebbe un problema. Bene, ripensaci. L'idrogeno è anche l'elemento più leggero dell'universo e qualsiasi idrogeno non contenuto sulla superficie della Terra fluttuerà immediatamente nello spazio. Ciò che l'idrogeno rimane su questo pianeta è legato ad altri elementi in forma molecolare, più comunemente in molecole di acqua (H2O). E sembra che ci sia molta H2O sulla superficie della Terra.

Ma come separiamo le molecole di idrogeno nell'acqua dalle molecole di ossigeno? E se non usiamo l'acqua come fonte di idrogeno, da dove altro possiamo ottenere l'idrogeno?

Il modo più semplice per ottenere l'idrogeno dall'acqua è quello di cui Sir William Grove sapeva più di 150 anni fa: l'elettrolisi. Se passi una corrente elettrica attraverso l'acqua, le molecole di H2O si decompongono. Simile al funzionamento con cella a combustibile, questo processo utilizza un anodo e un catodo, solitamente realizzati con metalli inerti. Quando una corrente elettrica viene applicata all'acqua, l'idrogeno si forma al catodo e l'ossigeno si forma all'anodo. Sebbene questo processo sia lento, può essere eseguito su larga scala.

Una fonte alternativa di idrogeno è il gas naturale, costituito da idrocarburi presenti in natura. Un processo chiamato steam reformation può essere utilizzato per separare l'idrogeno nel gas dal carbonio. Al momento, questo è il metodo più comune di produzione di idrogeno su scala industriale e sarebbe probabilmente il primo metodo utilizzato per produrre l'idrogeno per i veicoli a celle a combustibile. Sfortunatamente, questo processo utilizza combustibili fossili - il gas naturale - quindi se lo scopo di costruire auto che funzionano a idrogeno è evitare di esaurire le riserve di combustibili fossili, il gas naturale sarebbe la peggiore fonte possibile di questo combustibile.

Alcuni esperti hanno suggerito che potrebbe essere possibile costruire impianti di idrogeno in miniatura che si adatteranno al garage della persona media, quindi non sarà nemmeno necessario guidare fino alla stazione di rifornimento locale per riempire il serbatoio di idrogeno dell'auto. La forma più estrema di questa idea è stata il suggerimento che l'elettrolisi potesse essere eseguita all'interno dell'auto stessa, il che renderebbe possibile l'idea sbalorditiva di un'auto che corre sull'acqua! Tuttavia, la potenza per l'elettrolisi deve provenire da una sorta di batteria, quindi un'auto alimentata ad acqua dovrebbe essere periodicamente ricaricata.

Quindi, le macchine a guida ecologica come i veicoli dotati di celle a combustibile sono davvero le auto del futuro? Molte persone lo sperano, ma ci sono diversi potenziali blocchi stradali sulla strada per un mondo in cui le persone si muovono in auto che funzionano a idrogeno. Li esamineremo nella pagina successiva.

I veicoli a idrogeno di Daimler, Volkswagen e BMW percorrono un'autostrada di New York. Le auto facevano parte di un Hydrogen Road Tour di 31 città che include anche veicoli alimentati a idrogeno di GM, Honda, Hyundai, Kia, Nissan e Toyota. AP Photo / Richard Drew

Molte persone credono che le celle a combustibile a idrogeno siano la più importante tecnologia di combustibile alternativo attualmente in fase di sviluppo. Tuttavia, non è senza problemi e potrebbero passare decenni prima che la tecnologia delle celle a combustibile sia ampiamente utilizzata. Possiamo raggruppare grosso modo i problemi con l'idrogeno in tre categorie: i costi di sviluppo della tecnologia, le difficoltà ei pericoli con lo stoccaggio dell'idrogeno e la possibilità che questa "tecnologia non inquinante" non sia poi così non inquinante dopotutto. Ecco alcune delle battute d'arresto delle auto a idrogeno che possiamo aspettarci di affrontare nel prossimo futuro.

I costi per lo sviluppo della tecnologia dell'idrogeno sono elevati. Non solo dobbiamo progettare e sviluppare le celle a combustibile e le automobili, ma dobbiamo sviluppare un'infrastruttura per supportare questi veicoli a basso consumo di carburante. Immagina di possedere attualmente un'auto a idrogeno. Dove andresti a riempire il tuo serbatoio? Supponendo che tu non abbia un impianto di produzione di idrogeno nel tuo garage, avrai bisogno di una stazione di rifornimento di idrogeno e l'unico posto in cui esiste un numero significativo di tali stazioni al momento è nello stato della California, dove ha il governatore Arnold Schwarzenegger impegnati a sostenere un futuro dell'idrogeno. Alcune delle stime più pessimistiche hanno indicato il costo di costruzione di un'infrastruttura che consentirà a un numero significativo di auto a idrogeno di arrivare fino a $ 500 miliardi e il tempo per produrre l'infrastruttura fino a quattro decenni!

Anche il costo delle auto è alto. Con il platino come catalizzatore più utilizzato nelle celle a combustibile, il prezzo di un singolo veicolo a celle a combustibile è attualmente più di $ 100.000 e forse anche considerevolmente di più, motivo per cui le uniche auto a idrogeno disponibili per te al momento sono in leasing , non in vendita. Poche persone sono in grado di permettersi un'auto così costosa. Sono in fase di sviluppo altri catalizzatori che probabilmente saranno meno costosi del platino, ma nessuno sa quanto presto saranno disponibili per un uso su larga scala.

Anche il problema dello stoccaggio è spinoso. L'idrogeno è un gas e gli piace diffondersi. Metterlo in una macchina significa ridurlo a una dimensione ragionevole, e non è facile. Inoltre, l'idrogeno si riscalda mentre è seduto nel serbatoio di un'auto parcheggiata, il che fa espandere il gas. Ciò significa che i serbatoi devono sfiatare periodicamente l'idrogeno dall'auto. Lascia un'auto a idrogeno in giro per più di pochi giorni e tutto il carburante sarà esaurito. L'idrogeno è anche altamente infiammabile - alcuni ritengono che la spettacolare esplosione del dirigibile Hindenburg negli anni '30 sia stata il risultato di un incendio di idrogeno - quindi, se l'idrogeno esce dal serbatoio, ha il potenziale per essere pericoloso . Fortunatamente, gli incendi dell'idrogeno non sono così caldi come quelli della benzina e hanno meno probabilità di innescare incendi secondari. E poiché l'idrogeno aumenta, la maggior parte dell'idrogeno sfuggito fluttuerà via prima che possa effettivamente causare danni.

E l'idrogeno è davvero non inquinante? Una cella a combustibile produce solo calore e acqua come scarico, ma i processi utilizzati per creare l'idrogeno non sono necessariamente così puliti. L'elettrolisi utilizza l'elettricità e tale elettricità proverrà spesso da impianti che bruciano carbone, una fonte altamente inquinante. E quando l'idrogeno viene estratto dal gas naturale, produce emissioni di carbonio, che è esattamente ciò che stiamo cercando di evitare utilizzando l'idrogeno in primo luogo.

Molte persone pensano che alla fine supereremo questi ostacoli, ma sarà difficile. Altri credono che la nostra migliore scommessa per l'efficienza del carburante e una guida ecologica nel prossimo futuro non risieda nell'idrogeno ma nei veicoli elettrici ibridi, come la Toyota Prius, l'ibrido Ford Fusion e altre auto ibride simili. Tuttavia, è possibile che entro i prossimi due decenni, potresti possedere un'auto a celle a combustibile a idrogeno.

Per ulteriori informazioni su carburanti alternativi, auto ibride e altri argomenti correlati, seguire i collegamenti nella pagina successiva.

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fonti

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  • Berger, Michael. "La nanotecnologia potrebbe ripulire il piccolo segreto sporco dell'auto a idrogeno". Nanowerk. 19 luglio 2007 (21 aprile 2009) http://www.nanowerk.com/spotlight/spotid=2239.php
  • ScienceDaily. "Auto a idrogeno? Il prototipo del serbatoio di stoccaggio dell'idrogeno mantiene la resistenza termica estesa." 10 giugno 2008. (21 aprile 2009) http://www.sciencedaily.com/releases/2008/06/080604140935.htm
  • ScienceDaily. "Le auto a idrogeno non sono il modo migliore per ridurre l'inquinamento, i gas serra e la dipendenza dal petrolio". 18 luglio 2003 (21 aprile 2009) http://www.sciencedaily.com/releases/2003/07/030718084311.htm
  • Squatriglia, Chuck. "Le auto a idrogeno sono qui. Ora abbiamo solo bisogno di un'infrastruttura di rifornimento". Cablata. 12 marzo 2008. (21 aprile 2009) http://blog.wired.com/cars/2008/03/hydrogen-cars-a.html
  • Squatriglia, Chuck. "Guidiamo il veicolo Chevrolet Equinox a celle a combustibile a idrogeno". Cablata. 11 marzo 2008. (21 aprile 2009) http://blog.wired.com/cars/2008/03/we-drive-the-ch.html
  • Wrigglesworth, Phil. "L'auto del futuro perpetuo". L'economista. 4 settembre 2008. (21 aprile 2009) http://www.economist.com/science/tq/displaystory.cfm?story_id=11999229



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