L'auto del futuro è qui oggi. Naturalmente, non puoi ancora acquistarne uno; ma se vivi in California puoi affittarne uno. Non usa benzina e non inquina l'aria. Infatti produce vapore al posto dello scarico. Allora qual è il carburante misterioso? Idrogeno:l'elemento più semplice e abbondante nell'universo. E alcune persone pensano che tra 20 e 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 l'utilizzo dell'idrogeno per generare energia è in circolazione dalla prima parte del 19° secolo, più a 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 scarico invece dei gas maleodoranti. Attualmente esistono diverse auto a idrogeno, ma la maggior parte di esse sono concept car. Queste macchine da guida ecologiche 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 cella a combustibile , che converte l'idrogeno in elettricità, cedendo 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 essere a basso consumo di carburante e offrono la speranza di una guida ecologica ed ecologica. Ma ci sono ancora molti problemi che devono essere superati e domande a cui è necessario rispondere prima che l'idrogeno diventi il carburante preferito da un numero sufficiente di persone per fare la differenza nel nostro attuale uso dei combustibili fossili. Per esempio, dove prenderemo l'idrogeno? Quanto costerà l'acquisto di queste auto a basso consumo di carburante? Riuscirai a trovare una stazione di rifornimento di idrogeno per riempire il tuo serbatoio? E, cosa forse più importante, come combustibile, l'idrogeno è davvero così non inquinante come sembra?
Esamineremo queste domande nelle pagine che seguono, ma possiamo darti una rapida risposta in questo momento:a meno che tu non viva in parti molto specifiche del paese e abbia le tasche piene di contanti, non aspettarti un'auto a idrogeno nel tuo vialetto entro il prossimo decennio.
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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. Chiamò 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 20° 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 in capsule spaziali orbitali. E poi, negli anni '90, le celle a combustibile hanno cominciato ad apparire negli autobus urbani. quindi sappiamo che è possibile alimentare veicoli con celle a combustibile. Puoi pensare a una cella a combustibile come a una specie di batteria, tranne per il fatto che mentre una batteria mantiene il carburante dentro di sé, 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 strappando gli elettroni dai protoni e utilizzando gli elettroni per creare un puro flusso di elettricità. Gli atomi di idrogeno ionizzati si combinano quindi con l'ossigeno per formare acqua. L'altro sottoprodotto di questo processo è il calore, quindi quest'acqua generalmente assume 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 con membrana a 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 fare il lavoro. 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 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 in modo da poter essere impilate. Più celle a combustibile sono 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 la domanda di energia del 21° secolo. Nel 2003, il presidente George W. Bush ha annunciato una Freedom Fuel Initiative da 1,2 miliardi di dollari a sostegno dello sviluppo della tecnologia delle celle a combustibile. Le celle a combustibile presentano due vantaggi principali rispetto ai combustibili fossili. In primo luogo, non esauriscono la limitata offerta mondiale di petrolio, il che ci aiuta a preservare le forniture esistenti e potrebbero anche ridurre la nostra dipendenza dal petrolio estero. 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 momento in cui si ritiene che le emissioni di carbonio delle automobili promuovano il riscaldamento globale.
Nella prossima pagina vedremo come vengono prodotte le auto a idrogeno e le celle a combustibile. E forse, cosa ancora più importante, vedremo da dove verrà l'idrogeno stesso.
Quindi, in che modo i produttori costruiscono 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 i sistemi elettrici saranno in qualche modo unici perché una cella a combustibile crea elettricità. Pertanto, un'auto a idrogeno e un'auto elettrica hanno molto in comune in questo senso. 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 per cento 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 galleggerà immediatamente nello spazio esterno. Ciò che l'idrogeno rimane su questo pianeta è legato con altri elementi in forma molecolare, più comunemente nelle 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 utilizziamo l'acqua come fonte di idrogeno, dove altro possiamo procurarci idrogeno?
Il modo più semplice per ottenere idrogeno dall'acqua è quello che Sir William Grove conosceva più di 150 anni fa:l'elettrolisi. Se passi una corrente elettrica attraverso l'acqua, le molecole di H2O si rompono. Simile al funzionamento delle celle a combustibile, questo processo utilizza un anodo e un catodo, solitamente realizzati con metalli inerti. Quando una corrente elettrica viene applicata all'acqua, si forma idrogeno al catodo e si forma ossigeno all'anodo. Sebbene questo processo sia lento, può essere eseguito su larga scala.
Una fonte alternativa di idrogeno è il gas naturale, che è costituito da idrocarburi presenti in natura. Un processo chiamato riformazione del vapore può essere utilizzato per separare l'idrogeno nel gas dal carbonio. Attualmente, 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 automobili 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 di una persona media, quindi non sarà nemmeno necessario recarsi alla stazione di rifornimento locale per riempire il serbatoio dell'idrogeno dell'auto. La forma più estrema di questa idea è stata il suggerimento che l'elettrolisi potrebbe essere eseguita all'interno dell'auto stessa, il che renderebbe possibile l'idea sbalorditiva di un'auto che funziona sull'acqua! Tuttavia, l'energia 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 ostacoli sulla strada per un mondo in cui le persone vanno in giro con auto che funzionano a idrogeno. Vedremo quelli nella prossima pagina.
Molte persone credono che le celle a combustibile a idrogeno siano la più importante tecnologia per combustibili alternativi attualmente in fase di sviluppo. Tuttavia, non è privo di 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" dopo tutto non sia così non inquinante. 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 se attualmente possedessi un'auto a idrogeno. Dove andresti a fare il pieno? 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 il governatore Arnold Schwarzenegger ha impegnata a sostenere un futuro dell'idrogeno. Alcune delle stime più pessimistiche hanno collocato il costo di costruzione di un'infrastruttura che consentirà a un numero significativo di auto a idrogeno di raggiungere i 500 miliardi di dollari e il tempo necessario 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 superiore a $ 100.000 e forse anche molto di più, motivo per cui le uniche auto a idrogeno disponibili per la guida al momento sono in affitto , 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 storage è spinoso. L'idrogeno è un gas e gli piace diffondersi. Metterlo in un'auto significa ridurlo a una dimensione ragionevole, e non è facile. Inoltre, l'idrogeno si riscalda mentre si trova nel serbatoio di un'auto parcheggiata, provocando l'espansione del gas. Ciò significa che i serbatoi devono sfiatare periodicamente l'idrogeno dall'auto. Lascia un'auto a idrogeno ferma per più di qualche giorno 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, potrebbe essere pericoloso . Fortunatamente, gli incendi a idrogeno non sono caldi come quelli a benzina e hanno meno probabilità di innescare incendi secondari. E poiché l'idrogeno aumenta, la maggior parte dell'idrogeno fuoriuscito galleggerà via prima che possa effettivamente fare del male.
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 che l'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 ritengono 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, la Ford Fusion ibrida e altre auto ibride simili. Tuttavia, è possibile che nei prossimi due decenni possiate possedere un'auto a celle a combustibile a idrogeno.
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