I motori a idrogeno continuano a essere una delle scommesse future dell'industria automobilistica. Il suo funzionamento gli ha conferito una serie di vantaggi, mantenendolo a galla nonostante i suoi fallimenti. A tal fine, Toyota, BMW, Mazda, Hyundai, Ford e altri marchi hanno investito molto in questa tecnologia. I motori che utilizzano idrogeno includono motori a combustione interna e motori di conversione a celle a combustibile. Molte persone non lo sanno come funziona un motore a idrogeno e i rispettivi vantaggi e svantaggi.
Per questo dedicheremo questo articolo a raccontarvi passo passo come funziona un motore a idrogeno, quali sono le sue caratteristiche e la sua importanza per il mondo dei motori.
Come funziona un motore a combustione di idrogeno?
Questi motori utilizzano l'idrogeno come benzina. Cioè, lo bruciano in una camera di combustione per creare un'esplosione (energia cinetica e calore). Per questa ragione, i motori a benzina convenzionali possono essere adattati per bruciare idrogeno oltre a GPL o CNG.
Il funzionamento di questo motore è molto simile a quello di un motore a benzina. L'idrogeno è usato come combustibile e l'ossigeno come ossidante. La reazione chimica viene avviata da una scintilla e una candela può produrre una scintilla. L'idrogeno non ha atomi di carbonio, quindi la reazione è che due molecole di idrogeno si combinano con una molecola di ossigeno, liberando energia e acqua.
Il risultato della sua reazione chimica è semplicemente vapore acqueo. Tuttavia, i motori a combustione di idrogeno generano alcune emissioni durante il loro funzionamento. Ad esempio, piccole quantità di NOx dall'aria e calore dalla camera di combustione, o emissioni dovute alla combustione di olio attraverso le fasce elastiche.
Poiché l'idrogeno è un gas, viene immagazzinato in un serbatoio con una pressione di 700 bar. Questa è da 350 a 280 volte superiore alla normale pressione dei pneumatici delle auto. (da 2 a 2,5 bar). Sebbene ci siano anche automobili che immagazzinano idrogeno in forma liquida a temperature molto basse, come mostrato di seguito.
I motori a combustione di idrogeno offrono alcuni vantaggi interessanti rispetto ai motori a combustione convenzionali. Ad esempio, possono teoricamente utilizzare miscele molto fini (Lambda vicino a 2). Cioè, possono usare pochissimo carburante per utilizzare tutta l'aria in entrata e diventare molto efficienti.
Esempio di come funziona un motore a combustione di idrogeno
Un buon esempio di motore a idrogeno è la BMW 750hl, lanciata sul mercato nel 2000. Sebbene sia in realtà un motore a benzina BMW, è anche in grado di bruciare idrogeno.
Tuttavia, presenta diversi inconvenienti: in primo luogo, immagazzina idrogeno in forma liquida. Ciò richiede un serbatoio molto costoso realizzato con materiali del settore aerospaziale per mantenere la sua temperatura al di sotto di -250ºC. Ciò può essere ottenuto solo entro 12-14 giorni, durante i quali l'idrogeno evapora gradualmente e viene rilasciato in sicurezza nell'atmosfera. Il secondo svantaggio è che usando l'idrogeno si perde molta potenza ed efficienza. La successiva BMW Hydrogen 7 del 2005 ha parzialmente risolto questi problemi e ha aumentato la pressione dell'idrogeno a 700 bar senza mantenerlo freddo.
Un altro buon esempio è il motore a idrogeno Aquarius. Un motore a combustibile fossile sviluppato da un'azienda israeliana adatto all'uso dell'idrogeno. La prima versione funzionale è stata introdotta nel 2014 e da allora è apparsa una versione rivista e migliorata. Secondo i suoi sviluppatori, può funzionare senza olio lubrificante e ha un sistema di scambio di gas per ridurre le emissioni di NOx.
Inoltre, il motore a combustione interna a idrogeno è leggero e ha poche parti, il che lo rende economico da produrre. Può essere utilizzato come range extender per veicoli elettrici o come generatore per la rete.
Come funziona un motore a celle a combustibile a idrogeno?
Il suo nome completo è un motore a idrogeno convertito con celle a combustibile. Nonostante la parola "carburante", non bruciano idrogeno. Lo usano per generare elettricità attraverso il processo inverso dell'elettrolisi. Ecco perché trasportano batterie per reazioni chimiche, come in un motore a combustione di idrogeno, dove l'idrogeno è immagazzinato in serbatoi con una pressione di 700 bar.
È solo che invece di alimentarlo al motore, passa attraverso l'anodo e il catodo (come una batteria) fino alla cella a combustibile. Una volta lì, l'idrogeno gassoso (H2) passa attraverso la membrana e la scompone in due ioni idrogeno. Idrogeno e due elettroni liberi. Questi elettroni passano dall'anodo al catodo della batteria attraverso un circuito esterno, creando una corrente elettrica. Gli ioni idrogeno prodotti si combinano con l'ossigeno dell'aria per formare acqua.
Per questo motivo un motore a celle a combustibile a idrogeno è a emissioni zero, poiché non produce NOx o i gas che si producono quando si brucia olio come un motore a combustione interna. I diaframmi utilizzati in questi motori sono realizzati in platino e sono costosi. Tuttavia, c'è del lavoro per affrontare questo costo elevato. Ad esempio, all'Università Tecnica di Berlino hanno sviluppato una ferrolega che, se messa in produzione, potrebbe ridurre notevolmente i costi.
Svantaggi dei motori a idrogeno
- Catalizzatori usati nelle reazioni chimiche dei motori a celle a combustibile a idrogeno sono realizzati con materiali costosi, come il platino. Almeno fino a quando non sarà sostituita da un'alternativa più economica, come quella menzionata in TU Berlin.
- Per ottenere l'idrogeno, deve essere fatto mediante processi termochimici di combustibili fossili o mediante elettrolisi dell'acqua, che richiede un consumo energetico. La critica principale dei motori a idrogeno, perché l'elettricità può essere immagazzinata direttamente nella batteria di un veicolo elettrico per l'uso.
- Una volta ottenuto l'idrogeno, deve essere introdotto in una cella o in un serbatoio a pressione. Questo processo richiede anche un dispendio energetico aggiuntivo.
- Le batterie all'idrogeno sono costose da produrre e devono essere molto durevoli per resistere alle alte pressioni con cui l'idrogeno deve essere immagazzinato.
Vantaggi dei motori a idrogeno
- Le batterie all'idrogeno sono più leggere delle batterie dei veicoli elettrici. Ecco perché il suo utilizzo nel trasporto pesante è allo studio come alternativa ai camion elettrici a batteria. Per poter coprire grandi distanze, sono molto pesanti.
- Oggi caricare l'idrogeno è più veloce che caricare la batteria di un'auto elettrica.
- A differenza dei veicoli elettrici a batteria, i veicoli a celle a combustibile a idrogeno non richiedono batterie di grandi dimensioni. Pertanto, richiede meno litio o altri materiali che potrebbero scarseggiare. I motori a combustione interna a idrogeno non richiedono direttamente batterie al litio o altre batterie simili.
- Le celle a combustibile possono prolungare la vita di un'auto. A differenza delle batterie, che sono costose da sostituire a causa delle loro dimensioni e capacità. Le batterie associate ai motori a idrogeno sono più piccole e quindi meno costose da sostituire.
- Rispetto ai motori a combustibili fossili, i motori a celle a combustibile a idrogeno utilizzano motori elettrici e sono quindi molto silenziosi.
Autonomia
Lo svantaggio dei motori a idrogeno è che i loro serbatoi o celle a combustibile devono contenere idrogeno a pressioni molto elevate. Così, il punto di alimentazione deve inoltre rispettare la pressione di 700 bar che sopporta.
Ciò richiede la costruzione di un'infrastruttura di approvvigionamento per poter rifornire di carburante questo tipo di veicolo. Detto questo, ha gli stessi problemi dei veicoli elettrici puri. Tuttavia, l'operazione di rifornimento è molto più rapida di queste, poiché è la stessa di un veicolo GPL o GLC.
Le auto attualmente equipaggiate con motori a celle a combustibile a idrogeno hanno una gamma simile alla benzina. Per esempio, la Toyota Mirai ha annunciato 650 km con una batteria piena, la Hyundai Nexo 756 km e la BMW iX5 Hydrogen 700 km.
Altri come la Hopium Machina hanno annunciato un'autonomia di 1.000 km, anche se questa cifra dovrà ora essere confermata quando accadrà. In ogni caso, l'autonomia non è importante quanto la batteria, perché il rifornimento è molto più veloce. La cosa da tenere a mente è il numero di punti carburante.
Sono al sicuro?
I marchi lavorano da anni su questo tipo di motori per migliorarne l'efficienza, ridurre i costi e, naturalmente, renderli sicuri come quelli che funzionano a combustibili fossili.
Inoltre, gli standard di sicurezza richiesti da Europa, Stati Uniti e Giappone sono la garanzia della sicurezza dei veicoli alimentati a idrogeno. Inutile dire che Toyota lo pubblicizza il serbatoio del Mirai è abbastanza resistente da essere a prova di proiettile.
Vedremo un giorno in cui tutte le auto funzioneranno a idrogeno? Il tempo mostrerà tutto. È chiaro che i marchi continuano a investire e presenta alcuni vantaggi che lo rendono una ragionevole alternativa al trasporto a zero emissioni.
Spero che con queste informazioni possiate saperne di più su come funziona un motore a idrogeno, le sue caratteristiche, vantaggi e svantaggi.