di Giuliano Daniele – giornalista di Motor1.com
Hydrogen Society a Londra
E noi, come rappresentanti italiani, siamo stati chiamati da Toyota per discutere di questi argomenti partendo dalla mobilità, che sarà al centro del cambiamento. Ecco in che modo, secondo quanto emerso da questo convegno.
Focus sui mezzi pesanti
In particolare, è proprio sui cosiddetti mezzi pesanti (autobus, autoarticolati, veicoli commerciali) e non sulle automobili che gli esperti britannici chiamati in causa hanno voluto focalizzare l’attenzione. Parliamo di esponenti di brand molto conosciuti nel settore automotive – come appunto Toyota, oppure Shell, Arval – e di aziende con una conoscenza radicata nel tempo nel campo di tutto ciò che riguarda celle a combustibile, elettrolizzatori o reti di produzione e distribuzione dell’idrogeno: Johnson Matthey, ITM Power, Intelligent Energy, Fuel Cell Systems, Arcola Energy, Riversimple, Tayler Construction Plant, JC Easycabin Ecosmart, Element Energy.
Aziende ed Enti pubblici
Sono proprio la collaborazione fra le aziende e il coinvolgimento degli enti pubblici i due punti chiave per rendere sostenibile il progresso futuro dei paesi sviluppati e di quelli in via di sviluppo, mettendo in atto più soluzioni e ragionando su un lasso temporale di decenni, anziché di anni. Un altro esempio di questo tipo di joint venture, oltre al caso britannico, è quello di H2 Mobility in Germania, un’iniziativa pensata per spalmare il rischio d’impresa nella fase iniziale della diffusione dell’idrogeno, in cui prima di fare profitti bisogna investire per creare le basi di un nuovo mercato energetico. Fra le aziende coinvolte ci sono BMW, Daimler, Toyota, Volkswagen, Shell, Total, Air Liquide e il Gruppo Linde.
Industria, riscaldamento, trasporti
Il fatto che il cambiamento non solo possa, ma debba iniziare dalla mobilità si basa sul ragionamento per cui le attività produttive umane che oggi si reggono sugli idrocarburi siano classificabili in 3 grandi categorie: industria, riscaldamento, trasporti. I primi due sono i settori più difficili da decarbonizzare nel passare dall’energia fornita tipicamente dal gas naturale a quella dell’idrogeno.
Ed è una questione di scala: le dimensioni e dunque i costi di conversione anche solo di un singolo stabilimento siderurgico o chimico, oppure di un metanodotto, impediscono di partire da qui, con investimenti nell’ordine del miliardo di euro per impianto.
Strategia degli investimenti
La strategia dunque è quella di investire cifre minori (di cui parleremo fra poco) nei trasporti, in modo che possano far da volano per stimolare l’utilizzo della nuova fonte di energia in altri settori. È proprio quello in cui credono i player che abbiamo incontrato nel Regno Unito, iniziando a sostituire progressivamente i veicoli pesanti alimentati a gasolio con dei nuovi mezzi Fuel Cell.
Il meccanismo immaginato è quello in cui le amministrazioni pubbliche e le flotte aziendali private dovrebbero effettuare ordini di centinaia di veicoli a celle a combustibile.
Costo dei Bus a idrogeno con celle a combustibile
A titolo di esempio, oggi un autobus Fuel Cell costa in media 500.000 euro, cosa che per flotte di decine di mezzi porterebbe a blocchi di investimento di 100-200 milioni di euro e dunque alla creazione di nuclei iniziali di domanda di idrogeno capaci di innescare la collaborazione fra istituzioni e società energetiche per la realizzazione delle prime stazioni di rifornimento.
Costo delle stazioni di rifornimento di idrogeno
Che, a loro volta, hanno un costo medio unitario di circa 1 milione di euro e quindi – di nuovo – si tratta di investimenti inferiori a quelli dello scenario immaginato per i settori dell’industria e del riscaldamento
Checchè ne dica Elon Musk
Ecco perché l’elettrificazione dei mezzi pesanti attraverso le fuel cell sembra essere la chiave per la conversione all’idrogeno, al di là di ciò che Elon Musk sostiene con il suo progetto di motrice per autoarticolati a batteria, il Tesla Semi.
L’idea inglese
La convinzione dell’alleanza industria-governo in Gran Bretagna è che elettrificare questo tipo di veicoli non abbia senso. Il punto di partenza del discorso è la superiore densità di energia che l’idrogeno garantisce rispetto alle batterie.
Allo stato attuale delle cose, infatti, il pacco di accumulatori necessario a far muovere un classico “camion” peserebbe 8.000 kg – 9.000 kg, che andrebbero aggiunti ai circa 18.000 kg di peso medio di un autoarticolato in condizioni di lavoro.
Anche se, nella categoria di mezzi a cui appartiene il Tesla Semi si può arrivare anche fino a 36.000 kg, tenendo conto sia della massa del veicolo che del carico trasportabile. E siccome un camion senza motore pesa circa 7.000 kg, per differenza rimarrebbero 29.000 kg residui da spartire fra il peso delle batterie di un veicolo elettrico e quello della merce da trasportare. Ed ecco come si arriva a fare queste stime.
Facciamo un po’ di conti
Si tenga presente che un camion a gasolio attuale è in grado di spostare 20.000 kg garantendo percorrenze tra un rifornimento e l’altro anche di 1.500 km, mentre le promesse di autonomia del Tesla Semi durante la presentazione sono state al massimo di 800 km.
Elon Musk non ha dichiarato il peso del camion a vuoto, da cui si dedurrebbe il peso del carico, e il probabile motivo della mancanza di questa informazione è attendere che nei prossimi 2-3 anni la densità di energia delle batterie (cioè quanto può dare un carburante o un batteria in relazione al suo peso) migliori.
Densità energetica
Consideriamo ottimisticamente che le batterie al litio abbiano una densità di energia di 250 Wh / kg, contro i 13.000 Wh / kg della benzina e i 40.000 Wh / kg dell’idrogeno.
Per cui, per stimare quanto dovrebbero pesare le batterie di un Tesla Semi per essere competitivo, si può fare riferimento all’energia richiesta per spostarlo, basata sulla formula Energia = Potenza x Tempo.
Ed essendo Potenza = Forza x Velocità e Tempo = Distanza, espressa in autonomia / velocità media del camion, si può arrivare all’equazione secondo cui
Energia = [ (Resistenza aerodinamica + Resistenza al rotolamento + Forza di gravità) / (rendimento “dalla batteria alle ruote”) + (Inerzia) ] x ( Distanza / Velocità ).
EQUAZIONE
E = [(1⁄2 ρ⋅Cd⋅ A⋅v3 rms+ Crr⋅ Wt⋅ g⋅v+Tf⋅ Wt⋅ g⋅v⋅Z) / ηbw+ 1⁄2 Wt⋅ v⋅a (1/ ηbw− ηbw⋅ ηbrk) ] ⋅ (D/v)
Fonte: S Sripad, V Viswanathan – ACS Energy Letters, 2017 – ACS Publications – Formula per calcolo capacità e costo batterie di un veicolo elettrico – https://battery.real.engineering/
Più in dettaglio, le resistenze al moto sono quella aerodinamica, quella dovuta agli attriti di rotolamento e la forza peso contraria al moto quando si affrontano strade in salita che, se le stime dell’autonomia fossero fatte in pianura, sarebbe una componente nulla.
Nel calcolo della forza richiesta a superare l’inerzia del veicolo, invece, intervengono i rendimenti dei motori elettrici, dei freni e l’energia recuperata nella frenata rigenerativa.
Il camion Tesla Semi
Tenendo conto che il coefficiente di penetrazione aerodinamica del Tesla Semi è di 0,36 e assumendo una velocità media di 70 km/h e dei valori realistici per altri parametri (come la sezione frontale, il coefficiente di attrito volvente o l’efficienza nella rigenerazione di energia in frenata) si può stimare che un mezzo come il Tesla Semi possa aver bisogno di un pacco batterie da 900 – 1.000 kWh per coprire 800 km di autonomia.
Apparentemente pesante e costoso
Tradotto: con le attuali densità di energia, ci vorrebbero circa 8.000 kg di batterie per un costo di oltre 160.000 euro. E un camion a gasolio tradizionale costa meno di questa cifra considerando tutto il veicolo, non solo le batterie di un omologo elettrico che, in più, avrebbe meno autonomia e meno capacità di carico di un mezzo pesante.
Inoltre, se nell’equazione si tiene conto di pendenze medie diverse da 0 ecco che la capacità della batteria richiesta – e dunque il peso – aumenta.
Esempio: tenendo conto di una pendenza del 5% il Tesla Semi nella versione da 800 km necessiterebbe di altri 200 kWh di capacità richiesta oltre al pacco batterie da 900 – 1.000 kWh e per ulteriori 2.000 kg peso, mentre il costo salirebbe di altri 40.000 euro.
Costi
Insomma, siccome peso e costo delle batterie sono i 2 parametri principali che le aziende di trasporto considererebbero al momento dell’acquisto di un camion elettrico, i tempi per arrivare al punto di pareggio dell’investimento si allungherebbero, pur tenendo in considerazione che il costo chilometrico del camion elettrico sarebbe del 20% inferiore.
C’è però anche da considerare che un camion elettrico userebbe il 25% di energia in meno di un camion a gasolio, tenendo conto dell’efficienza dei suoi motori elettrici, oltre che il fatto che gran parte di questa energia si potrebbe ottenere da fonti rinnovabili.
Emissioni di CO2
Al di là del ragionamento economico di cui sopra, ci sono dunque i presupposti per cui un mezzo del genere riduca effettivamente le emissioni di gas serra. In aggiunta, c’è da valutare la questione del rifornimento.
Il gioco dei kW
Per un veicolo elettrico, una colonnina fast charge ad oggi è in grado di erogare valori tipici di 150 kW, salendo a 350 kW nei casi migliori. I sostenitori dell’idrogeno parlano invece di 3.000 kW, riferendosi nel caso specifico alla potenza contenuta in un pieno di gas per un mezzo pesante, realizzabile in un tempo inferiore anche ai 5 minuti.
Analisi di efficienza
E infine c’è l’argomento efficienza, che a grandi linee per l’idrogeno è di circa il 60%, in riferimento a tutto il ciclo di utilizzo di questo gas e quindi ai rendimenti – e dunque alle perdite – nei vari processi di elettrolisi, immagazzinamento e distribuzione, fino alla riconversione nelle celle a combustibile per far muovere i veicoli.
Sempre riportando le analisi di chi sostiene la validità dell’idrogeno, per paragone questo rendimento sarebbe sì inferiore a quello di un veicolo elettrico alimentato a batterie, ma la tempo stesso superiore a quello di un buon motore a combustione interna di un veicolo leggero (intorno al 30%) e a quello di un tradizionale mezzo pesante a gasolio (circa il 50%).
Anche se, va detto, questi ultimi valori si riferiscono alla “bontà” del singolo motore e non all’efficienza di tutta la catena di produzione e utilizzo dell’energia, come nel caso dell’idrogeno.
Il caso del Regno Unito
In ogni caso, sempre prendendo come caso studio il Regno Unito, si stima che nel 2030 circoleranno 1,5 milioni di veicoli Fuel Cell e che nel 2040 il governo impedirà la commercializzazione di nuovi mezzi con motore a combustione interna. Pertanto, l’idrogeno è un argomento strategico anche a livello politico: la Gran Bretagna – così come il Giappone, ad esempio – ritiene infatti che sposando l’idea di un’elettrificazione della società basata solo sulle batterie non sia possibile mantenere l’indipendenza. Al contrario dell’idrogeno, che essendo producibile internamente non costringerebbe alcune nazioni a dipendere da altre su un tema così delicato come l’approvvigionamento energetico.
La soluzione
La soluzione non esiste. Almeno, non se intesa come unica.
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Già, la via da percorrere nel passare da una società basata sui combustibili fossili al prossimo modello di sviluppo dovrà reggersi non più su un’unica fonte energetica, per quanto molti possano pensare che a risolvere tutto sarà l’elettrificazione, ma senza specificare di che tipo.
Quella dei trasporti, in particolare, non potrà essere solo alimentata dalle batterie: nel processo di decarbonizzazione del pianeta, infatti, c’è da tenere a mente anche il ruolo dell’idrogeno.
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