Esiste la formula perfetta per una mobilità sostenibile?
di Martina Caserta
- Obiettivo Primario: 7 - Energia pulita e accessibile
- Materia: Chimica
La Componente 2 della seconda Missione del PNRR ha predisposto numerose linee di riforme e di finanziamenti allo scopo di raggiungere gli obiettivi di decarbonizzazione fissati con l’Accordo di Parigi, e rinnovati durante la COP26.
Esiste la formula perfetta per una mobilità sostenibile?
Secondo l’ultimo rapporto ISPRA, nel 2019 il settore dei trasporti italiano è stato responsabile del 25,2% sul totale delle emissioni nazionali di gas serra, di cui il 92,6% è ascrivibile ai soli mezzi di locomozione su strada.
È con il programma “Energia rinnovabile, idrogeno, rete e mobilità sostenibile” che il Ministero della Transizione ecologica (MiTE) ambisce a creare un terreno fertile perché le fonti energetiche come l’idrogeno diventino competitive rispetto alla controparte fossile.
Lavorare con l’idrogeno non è affatto semplice. Sebbene trovi applicazione in numerosi campi industriali, si tratta di un gas altamente infiammabile e difficilmente reperibile in natura.
Il settore automobilistico, tra tutti, non è certo nuovo al suo utilizzo. Al momento, sono presenti sul mercato due tipologie di auto a idrogeno: la Fuel Cell Electric Vehicle (FCEV), che coniuga un motore elettrico e una cella a combustibile, e la Hydrogen Internal Combustion Engine Vehicle (HICEV), che sfrutta un motore a combustione interna per bruciare idrogeno. Nelle auto HICEV, l’energia chimica si trasforma direttamente in energia meccanica; tuttavia non si tratta di una tecnica a impatto zero: durante il processo di combustione si generano pericolosi inquinanti come gli ossidi di azoto NOx.
Le auto a idrogeno FCEV, invece, sono ideali in termini di sostenibilità: l’unico prodotto collaterale è l’acqua. Questi veicoli sono dotati di un serbatoio in cui viene immagazzinato H2 gassoso, di una cella a combustibile (fuel cell), di un impianto di prelievo di O2 dall’aria e di un motore elettrico.
Il principio di funzionamento di una fuel cell (Fig.1) si basa sul lavoro di due elettrodi:
A separare le due sezioni, c’è una membrana a scambio protonico PEM che permette il passaggio degli ioni H+ dall’anodo al catodo, così che possano reagire con l’ossigeno per formare acqua (poi rilasciata sotto forma di vapore).
La fuel cell trasforma l'energia chimica in energia elettrica, che a sua volta si converte in energia meccanica: la corrente che scorre nel circuito esterno della cella a combustibile attraversa un trasformatore che ne modifica la tensione e la trasmette al motore di trazione elettrico dell’automobile.
È con il programma “Energia rinnovabile, idrogeno, rete e mobilità sostenibile” che il Ministero della Transizione ecologica (MiTE) ambisce a creare un terreno fertile perché le fonti energetiche come l’idrogeno diventino competitive rispetto alla controparte fossile.
Lavorare con l’idrogeno non è affatto semplice. Sebbene trovi applicazione in numerosi campi industriali, si tratta di un gas altamente infiammabile e difficilmente reperibile in natura.
Il settore automobilistico, tra tutti, non è certo nuovo al suo utilizzo. Al momento, sono presenti sul mercato due tipologie di auto a idrogeno: la Fuel Cell Electric Vehicle (FCEV), che coniuga un motore elettrico e una cella a combustibile, e la Hydrogen Internal Combustion Engine Vehicle (HICEV), che sfrutta un motore a combustione interna per bruciare idrogeno. Nelle auto HICEV, l’energia chimica si trasforma direttamente in energia meccanica; tuttavia non si tratta di una tecnica a impatto zero: durante il processo di combustione si generano pericolosi inquinanti come gli ossidi di azoto NOx.
Le auto a idrogeno FCEV, invece, sono ideali in termini di sostenibilità: l’unico prodotto collaterale è l’acqua. Questi veicoli sono dotati di un serbatoio in cui viene immagazzinato H2 gassoso, di una cella a combustibile (fuel cell), di un impianto di prelievo di O2 dall’aria e di un motore elettrico.
Il principio di funzionamento di una fuel cell (Fig.1) si basa sul lavoro di due elettrodi:
-
l’anodo, dove l’idrogeno molecolare si ossida e cede i suoi elettroni:
2H2 → 4H+ + 4e-
-
il catodo, dove l’ossigeno riceve gli elettroni dall’anodo (trasportati attraverso il circuito esterno) e si riduce:
O2 + 4H+ + 4e- → 2H2O
A separare le due sezioni, c’è una membrana a scambio protonico PEM che permette il passaggio degli ioni H+ dall’anodo al catodo, così che possano reagire con l’ossigeno per formare acqua (poi rilasciata sotto forma di vapore).
La fuel cell trasforma l'energia chimica in energia elettrica, che a sua volta si converte in energia meccanica: la corrente che scorre nel circuito esterno della cella a combustibile attraversa un trasformatore che ne modifica la tensione e la trasmette al motore di trazione elettrico dell’automobile.
Figura 1. Cella a combustibile
I veicoli FCEV sono in grado di offrire un servizio di trasporto paragonabile ai mezzi tradizionali, in termini di tempi di rifornimento e di autonomia. Ciononostante, gli elevati costi di produzione dell’idrogeno e delle celle a combustibile, così come l’assenza di infrastrutture adeguate sul suolo italiano, hanno ostacolato la diffusione di questa tecnologia.
In un periodo in cui l’autonomia energetica è essenziale, il Piano Nazionale di Sviluppo - Mobilità Idrogeno mira a guidare il passaggio a fonti energetiche interne e rinnovabili per raggiungere gli obiettivi chiave europei: si prevede che lo scenario di vendita in Italia delle autovetture FCEV possa raggiungere uno stock pari a circa 27.000 unità entro il 2025.
In un periodo in cui l’autonomia energetica è essenziale, il Piano Nazionale di Sviluppo - Mobilità Idrogeno mira a guidare il passaggio a fonti energetiche interne e rinnovabili per raggiungere gli obiettivi chiave europei: si prevede che lo scenario di vendita in Italia delle autovetture FCEV possa raggiungere uno stock pari a circa 27.000 unità entro il 2025.
Attività per la classe
Nel caso delle auto a combustione interna sono stati nominati gli NOx. Attraverso una ricerca online, prova a capire come questi sottoprodotti di combustione interferiscono con la salute umana.
Per quanto concerne i metodi di produzione dell’idrogeno, il processo per eccellenza è l’elettrolisi dell’acqua. Prepara una presentazione che mostri similarità e differenze tra l’elettrolisi dell’acqua in una cella elettrolitica e la combustione di idrogeno in una cella (o pila) a combustibile.
Per quanto concerne i metodi di produzione dell’idrogeno, il processo per eccellenza è l’elettrolisi dell’acqua. Prepara una presentazione che mostri similarità e differenze tra l’elettrolisi dell’acqua in una cella elettrolitica e la combustione di idrogeno in una cella (o pila) a combustibile.
Bibliografia
“How Do Fuel Cell Electric Vehicles Work Using Hydrogen?”, U.S Department of Energy
Environ. Sci.: Atmos., 2021, 1, 201, Royal Society of Chemistry
Fuel Cells, ScienceDirect
“Componente 2 (M2C2) - Energia rinnovabile, idrogeno, rete e mobilità sostenibile”, Ministero della transizione ecologica
“MISURA 3 - Promuovere la produzione, la distribuzione e gli usi finali dell’idrogeno”, Ministero della transizione ecologica
“What are the pros and cons of Hydrogen fuel cells?”, TWI
“Executive Summary - Piano Nazionale di Sviluppo – Mobilità Idrogeno Italia”, Senato della repubblic
Environ. Sci.: Atmos., 2021, 1, 201, Royal Society of Chemistry
Fuel Cells, ScienceDirect
“Componente 2 (M2C2) - Energia rinnovabile, idrogeno, rete e mobilità sostenibile”, Ministero della transizione ecologica
“MISURA 3 - Promuovere la produzione, la distribuzione e gli usi finali dell’idrogeno”, Ministero della transizione ecologica
“What are the pros and cons of Hydrogen fuel cells?”, TWI
“Executive Summary - Piano Nazionale di Sviluppo – Mobilità Idrogeno Italia”, Senato della repubblic
