Idrogeno: un nuovo traguardo per la propulsione dei camper e l’autonomia energetica?

Indagine su quale ruolo potrebbe svolgere l’idrogeno nei camper del futuro

Testo di Terry Owen

Nel cammino costante verso le zero emissioni, i veicoli elettrici a batteria (BEV) vengono indicati sempre più come i veicoli del futuro. Puliti, efficienti e privi di emissioni, questi veicoli indicano la via da seguire, ma dipendono tutti da un fattore: l’energia della batteria. E questo, almeno per ora, significa litio.
Oltre all’impatto ambientale dell’estrazione del litio e dei metalli a esso associati nelle batterie come cobalto, nichel e manganese, abbiamo ancora limiti di autonomia e tempi di ricarica lunghi, se confrontati con i combustibili fossili. La tecnologia sta avanzando lentamente, ma la promessa batteria a stato solido deve ancora arrivare.
Ecco perché, fino a ora, abbiamo visto così pochi camper elettrici a batteria, o auto elettriche in grado di trainare una caravan. Anche se la situazione sta migliorando lentamente, la necessità di ricarica può raddoppiare i tempi di viaggio e, in caso di traino, quasi certamente si dovrà sganciare il rimorchio e trovare un posto sicuro per parcheggiarlo mentre l’auto viene condotta al punto di ricarica. Il traino riduce anche significativamente l’autonomia del veicolo, spesso del 50%, il che significa che si dovrà ricaricare due volte più spesso.
Il degrado della batteria, inoltre, comincia a diventare un problema man mano che i veicoli invecchiano, con le nuove batterie che spesso costano più del valore residuo del veicolo. E anche l’assicurazione può essere un problema.
È interessante notare che, sia in Europa che negli Stati Uniti, le vendite di BEV stanno ora stagnando poiché i privati, in particolare, continuano a non prendere in considerazione questi modelli. Secondo il quotidiano Telegraph, del Regno Unito, le vendite di veicoli elettrici (EV) ai conducenti privati sono diminuite di quasi un quinto quest’anno. Il Telegraph prosegue asserendo che le vendite al consumatore di veicoli elettrici sono state inferiori del 17%, nei primi due mesi del 2024, rispetto allo stesso periodo dell’anno precedente.
Nel frattempo negli Stati Uniti, a novembre 2023, l’Economist ha riportato che i veicoli elettrici languiscono nei piazzali dei concessionari per 92 giorni, rispetto ai 54 giorni di giacenza dei veicoli alimentati con combustibili fossili.

La crescita dell’idrogeno

In questo contesto, l’idrogeno sta lentamente guadagnando terreno come carburante alternativo a zero emissioni. Con tempi di rifornimento simili a quelli dei combustibili fossili e la capacità di produrre calore ed energia “off grid”, l’idrogeno potrebbe essere il carburante perfetto per il mondo dei veicoli ricreazionali. Parlando di camper, è anche utile notare che i serbatoi di idrogeno sono più facili da inserire in veicoli come i van, mentre il peso inferiore di un furgone a celle a combustibile o a idrogeno rispetto a uno elettrico a batteria consente di trasportare un carico maggiore.
Finora, l’adozione della tecnologia dell’idrogeno è stata lenta, anche a causa della mancanza di punti di rifornimento. Tuttavia, la situazione sta cambiando.
Nell’UE è entrata in vigore, a settembre 2023, un’importante normativa che promuove l’uso dell’idrogeno nei trasporti. Il Regolamento sull’Infrastruttura per i Combustibili Alternativi (AFIR) richiede ai 27 Stati membri di garantire che entro il 2030 stazioni di rifornimento di idrogeno, accessibili al pubblico per veicoli pesanti e leggeri, siano installate in ogni “nodo urbano” e ogni 200 km lungo le rotte principali della pianificata Rete Transeuropea dei Trasporti.
Nel frattempo, negli Stati Uniti, l’amministrazione Biden ha pubblicato la sua Strategia Nazionale per i Corridoi di Trasporto a Zero Emissioni per sostenere la decarbonizzazione dei camion medi e grandi. Ha l’obiettivo di garantire un accesso “ubiquo e conveniente” alle stazioni di rifornimento di idrogeno e ai punti di ricarica elettrica entro il 2040.

Veicoli elettrici a celle a combustibile (FCEV)

Per la propulsione dei veicoli, l’idrogeno può essere utilizzato in due modi. In quello più comune, alimenta una cella a combustibile per produrre elettricità per una batteria che agisce poi come serbatoio per fornire energia alla guida e ad altri sistemi. Questo tipo di veicolo è noto come veicolo elettrico a celle a combustibile (FCEV).
I veicoli a celle a combustibile, utilizzando motori elettrici, sono relativamente efficienti dal punto di vista energetico, sebbene non siano così efficienti come l’uso dell’energia di rete attraverso una batteria. Un sistema a celle a combustibile può utilizzare il 60% dell’energia del carburante, che corrisponde a una riduzione di oltre il 50% del consumo rispetto a un veicolo convenzionale con un motore a combustione interna a benzina. Mercedes è stata una delle prime ad applicare questa tecnologia con il suo van F-Cell Sprinter, presentato al Caravan Salon di Düsseldorf nel 2018.
Il grande vantaggio dei FCEV rispetto ai BEV (veicoli elettrici a batteria) è il tempo di rifornimento rapido e, potenzialmente, la maggiore autonomia. L’inconveniente è il costo, a causa della natura complessa della tecnologia rispetto a quella dei veicoli BEV e di quelli a motore a combustione interna (ICE). La minore efficienza degli FCEV rispetto ai BEV è dovuta alle perdite di energia nella produzione dell’idrogeno, nella compressione, nella conservazione e nella conversione attraverso la cella a combustibile.

Motori a combustione interna a idrogeno (ICE H2)

Un altro modo per utilizzare l’idrogeno per la propulsione è bruciarlo in un motore a combustione interna come un carburante. Questo processo è simile a quello dei veicoli a benzina e diesel, ma utilizza gas invece di carburante liquido. Le uniche emissioni sono acqua e una piccola quantità di gas ossidi di azoto (NOx), che possono essere facilmente trattati attraverso la tecnologia AdBlue convenzionale.
L’inconveniente è che questa modalità è meno efficiente della tecnologia FCEV nella maggior parte degli scenari, quindi non si percorrerà la stessa distanza con una data quantità di idrogeno. I motori a combustione interna tendono a essere più efficienti sotto carico elevato, situazione in cui possono avvicinarsi all’efficienza dei FCEV.
La tecnologia ICE H2 non ha alcuno degli svantaggi dell’energia proveniente dal litio, pur essendo altrettanto comoda di quella a combustibili fossili. Inoltre, utilizza gran parte dell’attuale tecnologia motoristica. Infatti, le modifiche a un motore a benzina o diesel, per farlo funzionare con l’idrogeno, sono relativamente poche ed economiche. Ciò significa anche che le procedure di manutenzione e assistenza sono già diffuse e, nello specifico, richiedono ben poco training aggiuntivo. Un vantaggio rispetto agli FCEV è che la qualità di idrogeno necessaria è significativamente più bassa rispetto a quella richiesta da una cella a combustibile, con evidenti vantaggi sia nei costi che nella reperibilità.
Aggiungiamo infine l’assenza di interruzioni nella catena di approvvigionamento rispetto ai BEV o agli FCEV e diventa facile capire perché i motori a combustione alimentati a idrogeno sono sempre più visti come il percorso più semplice e veloce verso la guida a zero emissioni.

L’adozione della tecnologia dell’idrogeno nel settore industriale

La tecnologia ICE H2 è particolarmente adatta per il mercato dei camion e dei trasporti pesanti, dove prevalgono grossi carichi di lavoro ed è richiesta una performance “robusta”. Lo spazio per i serbatoi di gas è anche molto meno problematico.
Un pioniere in questo settore è stata l’azienda produttrice britannica JCB, che ha rapidamente compreso il potenziale della tecnologia e ha sviluppato motori con prestazioni simili a quelli diesel, che sono andati a sostituire. Oggi JCB è seguita da altri grandi nomi come Cummins, Deutz e Volvo.
“Vediamo i motori a combustione a idrogeno come particolarmente adatti per applicazioni a lungo raggio dove l’accesso alla ricarica è limitato o il tempo è scarso, e le opzioni di rifornimento sono poche,” afferma Volvo. “La tecnologia di combustione a idrogeno è un elemento chiave nella transizione in corso verso le emissioni zero, e supporterà il viaggio e gli investimenti dei nostri clienti nella riduzione della loro impronta di carbonio.”
Più recentemente, il CEO di Stellantis, Carlos Tavares, ha annunciato che anche loro stanno lavorando sui motori a combustione a idrogeno come una delle quattro diverse soluzioni per la guida a zero emissioni. Parlando all’inaugurazione della fabbrica di celle a combustibile a idrogeno Symbio, a Lione, in Francia, nel dicembre 2023, Tavares ha aggiunto: “Sta cominciando la vera concorrenza tra celle a combustibile, EV, motori a combustione interna a idrogeno e persino carburanti sintetici. Vedremo nei prossimi anni quale sarà la soluzione migliore per i cittadini.”
Tavares non ha fornito dettagli su quali dei loro veicoli potrebbero essere offerti con motori a combustione a idrogeno, ma è già in vendita la gamma K0 di furgoni di medie dimensioni (per esempio, Opel/Vauxhall Vivaro) con opzione a celle a combustibile.
Anche Toyota è una forte sostenitrice dell’idrogeno. A gennaio di quest’anno, il suo presidente ed ex CEO, Akio Toyoda, ha dichiarato ai manager del settore che crede che la quota di auto a batteria raggiungerà solo il 30% del mercato. Il restante 70% sarà costituito da ibride, celle a combustibile a idrogeno e motori a combustione a idrogeno.
Basandosi sulla tecnologia delle celle a combustibile, la Mirai di Toyota è una delle poche auto alimentate a idrogeno disponibili sui vari mercati (insieme alla SUV Nexo di Hyundai). Toyota ha anche utilizzato motori a combustione a idrogeno nelle auto da competizione su base Yaris e Corolla in Giappone.
Un ulteriore segnale del sostegno dell’industria alla tecnologia ICE H2 è la formazione dell’Hydrogen Engine Alliance. Si tratta di un consorzio di aziende tra cui Daimler Truck, Claas, Isuzu, JCB, MAN e fornitori come Bosch, BorgWarner e Dana che è stato istituito per promuovere e sostenere il percorso dell’ICE H2.

Conclusioni e fattori trainanti

Nel percorso verso le zero emissioni, è chiaro che non esiste una soluzione unica che sia valida per tutte le circostanze. Gli obiettivi dovranno essere raggiunti utilizzando una combinazione di tecnologie, in cui l’idrogeno svolge un ruolo importante. Secondo il produttore britannico di camion elettrici Tevva, il rifornimento di idrogeno potenzialmente può diventare semplice quanto è oggi il rifornimento di carburante diesel, una volta che l’idrogeno a basse emissioni di carbonio diventerà più economico e ampiamente disponibile. Ovviamente, c’è ancora molta strada da fare, ma le cose stanno cambiando, come dovranno necessariamente fare se si vogliono raggiungere gli obiettivi sulle zero emissioni. Per gli appassionati di camper, i vantaggi dell’idrogeno vanno ben oltre l’ipotesi del rifornimento rapido con un’autonomia migliorata, poiché l’idrogeno offre l’opportunità di campeggiare off-grid proprio come attualmente si fa grazie ai combustibili fossili. Può essere utilizzato sia per fornire elettricità, tramite una cella a combustibile che funziona silenziosamente, sia per essere bruciato direttamente in apparecchiature per il riscaldamento e la cottura dei cibi. Per le auto trattrici, per i camper van e per i motorhome di piccole e medie dimensioni, i veicoli elettrici a celle a combustibile (FCEV – Fuel Cell Electric Vehicles, vedi la prima parte di questo articolo) potrebbero rappresentare la soluzione perfetta. Tuttavia, dove esiste l’opportunità di installare serbatoi di gas più grandi, come in alcuni dei più grandi motorhome di classe A, la via del motore a combustione interna a idrogeno (H2 ICE – Hydrogen Internal Combustion Engines) offre una soluzione rapida ed economica. Qualunque cosa accada in futuro, è probabile che l’idrogeno avrà un ruolo sempre più importante sulla strada verso un turismo all’aria aperta veramente ecologico.

Il problema del litio

Impatto ambientale

L’estrazione del litio comporta l’uso di enormi quantità di acqua, a seconda del metodo di estrazione. Tipicamente, per ottenere una tonnellata di litio sono necessari circa due milioni di litri d’acqua – quasi sufficienti a riempire una piscina olimpionica. Il risultato è spesso l’inquinamento delle riserve idriche con i problemi di salute che ne derivano. Il processo di estrazione produce anche grandi quantità di anidride carbonica e rifiuti minerali. Secondo una ricerca dei consulenti tedeschi per l’automotive, Berylls Strategy Advisors, la produzione di una batteria al litio del peso di 500 chili emette oltre il 70% in più di anidride carbonica rispetto a quella richiesta per produrre un’auto convenzionale. Le batterie al litio richiedono poi altri metalli come cobalto, nichel e manganese per funzionare in modo efficiente, e anche l’estrazione di questi materiali comporta problemi ambientali. L’estrazione del cobalto in particolare ha una cattiva reputazione: il 70% della fornitura mondiale proviene dalla Repubblica Democratica del Congo e secondo il sito web earth.org – specializzato in news sull’ambiente – “Il cobalto sta rapidamente passando da essere un metallo miracoloso a essere un elemento chimico mortale, la cui dispersione devasta l’ambiente, inquinando l’acqua e contaminando le colture. Alte concentrazioni di cobalto sono state persino collegate alla morte di colture e vermi, che sono vitali per la fertilità del suolo”.

Difficoltà di riciclaggio

Le batterie al litio sono complesse e costose da riciclare, con costi che spesso superano quelli dell’estrazione delle materie prime. Il litio è molto reattivo e può prendere fuoco se non viene trattato con la dovuta cura. Rispetto alle batterie al piombo-acido, che hanno un tasso di riciclaggio del 99%, per le batterie al litio alcuni stimano una percentuale intorno al 5%. Tuttavia, questa cifra è in parte fuorviante poiché si basa principalmente sulle piccole batterie per l’elettronica di consumo, mentre la maggior parte delle batterie più grandi, come quelle utilizzate per la propulsione dei veicoli, non ha ancora raggiunto la fine del ciclo di vita. In definitiva, la percentuale del riciclaggio aumenterà significativamente, ma è probabile che il costo rimanga un problema.

Conclusione

Il litio rimarrà senza dubbio il pilastro della propulsione dei veicoli elettrici a batteria (BEV) per molti anni a venire, ma è tutt’altro che l’unica soluzione. Tutto questo lascia spazio ad altri percorsi, in particolare nel breve termine, e l’idrogeno in questo contesto si pone come il principale contendente.

Costi assicurativi

Come molti hanno già scoperto, il costo dell’assicurazione per un veicolo BEV o ibrido può essere significativamente più alto rispetto a quello di un veicolo ICE convenzionale. Un rapporto pubblicato da Thatcham nel luglio 2023, finanziato da Innovate UK, un’agenzia governativa britannica, ha scoperto che i sinistri riguardanti veicoli BEV sono più onerosi del 25,5% rispetto a quelli che coinvolgono motori a combustione interna. Questa differenza è attribuita all’alto costo della sostituzione della batteria principale, nel caso in cui venga danneggiata. That­cham afferma che il costo di una batteria di ricambio può essere superiore al prezzo del veicolo usato dopo appena un anno. Lo stesso vale in pratica anche per i veicoli a celle a combustibile a idrogeno, per i quali, anche se la batteria è molto più piccola, il costo della cella a combustibile può essere molto alto. D’altra parte, è probabile che i veicoli H2 ICE abbiano alla fine costi assicurativi molto simili a quelli dei veicoli con motore a combustione convenzionale perché ne condividono gran parte della tecnologia e hanno un costo di produzione simile. È un altro vantaggio per gli ICE a idrogeno che, nonostante la loro efficienza relativamente bassa, si stanno dimostrando un modo rapido ed economico per raggiungere l’azzeramento delle emissioni.

Gli avanzamenti nella tecnologia delle batterie

La tecnologia delle batterie continua a progredire, ma più lentamente di quanto molti avevano previsto. Le batterie a stato solido sono da tempo considerate il prossimo grande cambiamento, con il doppio dell’autonomia rispetto alle batterie esistenti e un ridotto rischio di esplosione o incendio in caso di incidente. Toyota sta sviluppando il concetto dal 2012, ma problemi legati al costo e alla durata ne hanno ritardato l’introduzione. La casa nipponica punta ora a rendere queste batterie pronte per l’uso commerciale entro il 2027/28. Anche Stellantis, Hyundai e Volks­wagen si sono associate ad aziende che lavorano sulle batterie a stato solido, ma non sembra esserci una data definita per la loro introduzione sul mercato. Questo progresso relativamente lento dà un ulteriore impulso all’idrogeno, specialmente con le scadenze sulle emissioni che si avvicinano.

La tecnologia dietro il motore a idrogeno a combustione interna (H2 ICE)

L’idrogeno può essere combusto nei motori a benzina o diesel attuali apportando solo alcune modifiche, principalmente alla testa dei cilindri e al sistema di aspirazione. Queste modifiche sono necessarie per gestirne l’ampio intervallo di infiammabilità, che va dal 4% al 75% nell’aria (la benzina è dal 1,4% al 7,6%), e la bassa richiesta di energia di accensione. Ciò significa che i motori possono funzionare con una miscela molto magra, riducendo così le temperature di combustione e limitando la formazione di ossidi di azoto (NOx). L’accensione è avviata da una scintilla controllata con precisione da una candela di accensione convenzionale, esattamente come in un motore a benzina. La facilità di accensione può causare problemi di dannose pre-accensioni (detonazione del motore) e scarichi nel collettore di aspirazione. Per evitare ciò, il carburante viene iniettato direttamente nel cilindro immediatamente dopo la chiusura della valvola di aspirazione, come in un motore diesel. L’ampio intervallo di infiammabilità significa che la potenza del motore può essere facilmente controllata variando la quantità di idrogeno iniettato senza dover modificare il flusso di aria di aspirazione, ancora una volta come in un motore diesel. Inoltre, l’idrogeno brucia in modo molto più pulito rispetto alla benzina o al diesel, riducendo così l’usura del motore. Forse il modo più semplice per visualizzare un motore a combustione interna a idrogeno (H2 ICE) è pensare a un motore diesel con una candela di accensione. Non sorprende quindi che l’affidabilità di questi motori sia pari o superiore a quella dei motori diesel.