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Automobili a idrogeno?

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(@zac52)
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Automobili a Idrogeno: “è il futuro!” Questo almeno sembra suggeriscono le industrie automobilistiche e le riviste specializzate.
“Aspettate a passare alle auto elettriche, fra poco arriveranno le auto a Idrogeno, che sono molto meglio!”
In effetti Toyota ha prodotto la prima auto con questa tecnologia; la Mirai (in giapponese=futuro).
“In Svizzera e in Germania hanno aperto le prime stazioni di ricarica di idrogeno, entro il 2020 saranno molte di più”.
Veniamo ora a un po’ di tecnica.
Per la trazione a idrogeno ci sono due metodi diversi:
La prima: si prende un comunissimo motore a benzina (come ha fatto BMW Hydrogen7), e quindi si inietta una miscela di idrogeno e ossigeno, scintilla, e il gioco è fatto!
Questo metodo ha un grande vantaggio per i produttori di automobili; c’è già tutto, non bisogna sviluppare niente di nuovo!
Ma:
- le temperature di combustione sono molto elevate, e contrariamente a quanto viene detto (“dallo scappamento esce solo vapore acqueo”) si sviluppano anche ossidi di azoto (Nox), non molto ecologico!
-C’è pure un consumo di olio lubrificante che viene bruciato assieme all’idrogeno, e quindi produzione di CO2, peggio ancora di CO, e pure di idrocarburi combusti!
-Come per le auto a metano, anche queste hanno una bassa densità di energia nei serbatoi; quindi poca autonomia, cattiva lubrificazione, alta usura dei motori. L’idrogeno corrode i metalli; essi diventano fragili (infragilimento da idrogeno).
Bisognerà magari passare a materiali come la ceramica. Quì bisognerà però veramente sviluppare la ricerca! Motori a ceramica? Forse in un futuro non così vicino.

Una possibilità per avere più energia nei serbatoi, e quindi più autonomia, è quella di rendere l’idrogeno liquido: criogenia!
Questo è però praticamente impossibile con mezzi comuni: l’idrogeno diventa liquido a -253 gradi C! Solo 20 gradi sopra lo zero assoluto (-273,14 C).
Riempire il serbatoio di un’auto da parte di un comune guidatore con questo liquido: impensabile!
Inoltre non sarebbe assolutamente conservabile in un serbatoio di un’automobile!
E’ necessaria molta energia per poter mantenere tale temperatura; appena essa sale sopra i fatidici -253 C l’idrogeno ridiventa gas,e quindi se ne va.
Questa tecnica si addice forse solo alla navigazione nello spazio. Lì le condizioni sono diverse; si isolano i serbatoi, e le temperature esterne sono molto basse.
Criogenia: completamente senza senso in un’automobile!

Rimanendo al rendimento della combustione; per il motore diesel siamo sul 38%; ma questo è l’optimum, raramente lo si può raggiungere. Solo quando il motore gira attorno ai 2500-3000 giri/min. Fuori da questi valori il rendimento cala rapidamente. In media si può calcolare un rendimento attorno al 25%.
Il motore a idrogeno è un po’ meglio, il rendimento massimo si aggira attorno al 45%, in media attorno al 30%.
Rendimento relativamente basso quindi.
Ora però bisogna pensare anche alla produzione dell’idrogeno. Esso non esiste libero in natura. Se dovessimo averlo libero in natura, essendo molto leggero salirebbe nell’atmosfera e addirittura oltre, e si perderebbe nello spazio. Quindi lo si deve produrre. Ad esempio con l’elettrolisi.
Per fare questo occorre però dell’energia. Inoltre questo processo non è molto efficiente: il rendimento è solo del 50%. Quindi il rendimento del 30% di un motore a idrogeno bisogna dividerlo per due: risultato: rendimento del 15%!!! Questo è veramente un cattivo rendimento! E in questo campo non si può sperare in alcun miglioramento in futuro!
Quindi il motore a combustione a idrogeno è veramente da scartare (credo che BMW abbia definitivamente abbandonato l’Hydrogen7).

E per portare l’idrogeno ai distributori? Pipelines!
L’idrogeno è la molecola più piccola che esiste. Essa passa attraverso qualsiasi materiale. Anche se si isolano molto bene le condotte, ci saranno sempre delle perdite. Per il BMW Hydrogen7: lasciato fermo, dopo nove giorni la metà del contenuto del serbatoio si era disperso, diffuso attraverso le pareti del serbatoio.

Rimane la cellula a combustione
La Toyota Mirai funziona con queste celle a. c. Questa è la prima auto di serie con questo sistema.
Rimane sempre anche qui il problema del basso rendimento per la produzione dell’idrogeno, della difficile trasportabilità, e del deposito.
Ci sono ancora un paio di pericoli con l’idrogeno. Forse ricordate dalla scuola il “gas tonante”; una miscela di idrogeno e ossigeno (dall’aria). Altamente esplosivo. Per questo la Mirai ha diversi sensori per la eventuale presenza di idrogeno in auto. L’idrogeno passa attraverso tutti i materiali (quindi nell’abitacolo potrebbe formarsi gas tonante). Non mi sentirei molto sicuro, forse viaggerei sempre con i finestrini aperti!
Essa ha due serbatoi ad alta pressione, con 700 bar di idrogeno. Peso dei serbatoi: 100 kg.
Il pieno dovrebbe essere fatto da chiunque, anche se per ora ci sono ben poche stazioni.

Arriviamo alle celle a combustione.
Sono composte da strati di membrane, al cui interno la combinazione di idrogeno e ossigeno produce corrente elettrica. Hanno però bisogno di un grande volume, e la densità di potenza generata è abbastanza ridotta. I 155 cavalli della Mirai sono solo dovuti al fatto che essa ha anche una batteria ibrida. Le cellule a combustione lavorano al meglio se lavorano in modo costante, l’energia prodotta viene accumulata in questa batteria al Nichel-metallo idruro (presa dalla Toyota Camry ibrida). La batteria fa quindi da buffer. Visto poi che la tensione della batteria varia in continuazione tra consumo e ricarica, è anche necessaria una apparecchiatura elettronica che alzi e stabilizzi la tensione da fornire al motore.
Qual’è la accelerazione della Mirai? Da 0 a 100 in 9,6 sec, non proprio sportiva quindi; peggio di una vettura diesel. Velocità massima 178 km/h.
Questo è dovuto al fatto che le celle a.c. non riescono a produrre sufficiente energia per i 155 cavalli
della vettura. Questa potenza è dovuta alla somma dell’energia prodotta dalle celle più quella erogata dalla batteria completamente carica.
Peso della vettura? Tra i 1850 e i 1950 (a seconda di dove si leggono i dati).
Quasi così pesante come una Tesla Model S, che è però più grande, con molto più spazio per passeggeri e bagagli. In questa Mirai il cofano anteriore è completamente occupato dalle celle.
Il motore è posteriore. Inoltre bisogna far entrare anche i due grossi serbatoi, e le batterie. Tutta l’auto è quindi piena con questo sistema propulsivo. Ci si può immaginare la complessità di questo sistema, paragonato a quello di un’auto elettrica!. Ci sono così tanti sistemi che lavorano simultaneamente che il tutto diventa di una complessità estrema.

In Giappone (2016) hanno installato 28 stazioni di ricarica, per un costo pare di 50 milioni di dollari! Ogni stazione costa quindi circa 2 milioni di dollari.
Tesla costruisce una stazione Supercharger con 8 stalls per 100-200’000 dollari (la cifra esatta non viene rivelata), diciamo quindi circa 20’000 dollari per stall di ricarica (con tutto, posteggio, infrastruttura).
Si vede quindi quali sono i problemi di un simile sistema .

Vediamo di riassumere perché un simile sistema a nostro avviso non è proponibile:

1: Cattivo rendimento. Questo è il punto principale. Leggermente migliore di un diesel, ma nettamente inferiore ad un sistema a batterie ( circa 1/3)
Questo porta a costi nettamente superiori al km percorso. Caro, molto caro. E non potrà diventare meno caro in futuro. L’elettrolisi ha un cattivo rendimento, non lo si potrà in alcun modo migliorare.
E’ chiaro, al momento viene prodotto in modo più economico (udite, udite) tramite la scissione di gas naturali (metano, ecc), con in più la emissione nell’ambiente di CO2. Non molto ecologico quindi, anzi di nuovo “fossil fuel”! Forse in futuro si faranno impianti a elettrolisi...
2: cattiva densità di energia. Questo significa grandi serbatoi, grandi celle, batterie. Questo significa poco spazio nella vettura per persone e cose.
3: inoltre occorrerà molta manutenzione, con una simile complessità. Forse i costruttori puntano proprio su questo. Bisognerà sostituire le membrane delle celle, queste non sono prive di manutenzione. Bisognerà far regolarmente testare la sicurezza dei serbatoi, con una simile pressione (700 bar!). Se si pensa che le bombole sub vengono caricate a 200 bar, e con innocua aria, e che bisogna (bisognerebbe) farle collaudare ogni due anni (in svizzera presso l’EMPA a Dübendorf).Quì invece si tratta di idrogeno, corrosivo, con pressioni più del triplo!
4: grandi perdite (½ serbatoio perso in 9 giorni)
5: forti corrosioni dei metalli .

Le auto a batteria agli ioni di litio come le Tesla non saranno forse le soluzioni finali ma ci sembra per il momento la migliore.(la tendenza sta andando verso i “supercondensatori”, ma questo è un’altro discorso)


   
Supermd1977 reacted
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(@divh)
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Ottimo post Zack52!

Aggiungo questo video "didattico" sulla provenienza dello stesso.


   
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 Pepe
(@pepe)
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Bravo Zac52,
continua a darci info tecniche complesse scritte in modo semplice.
Automobili a Idrogeno: "Morte prima di nascere" dovrebbe essere il giusto slogan.


   
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 gEnE
(@gene)
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Grande spiegone, Zack52... e grazie per il video Divah ^_^
In effetti avevo letto qualcosa qualche giorno fà sulla stampa; ovviamente ne parlavano in maniera entusiastica... 😉


   
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(@kosline)
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Ottimo lavoro...  😉


   
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(@manuel)
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Le auto ad idrogeno sono il futuro.... e lo saranno sempre!   😉

Ecco l'ultima volta che Elon ne ha parlato, al minuto 10:20.


   
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(@divh)
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Posted by: Manuel

Le auto ad idrogeno sono il futuro.... e lo saranno sempre!   😉

Però DUMB ... non mi sembra che voglia dire futuro Grin Grin 😛 😛


   
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(@scanred_x)
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Davvero GRANDE Zac52 !

Complimenti per la chiarezza e i ragionamenti comprovati !

Scan


   
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(@berna7)
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Zac52 Grazie davvero ottima spiegazione

Inviato dal mio iPad utilizzando Tapatalk


   
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(@zac52)
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Notizia di oggi, 18 1.17:
Diversi grandi gruppi industriali europei e asiatici hanno annunciato Martedì a Davos voler unire gli sforzi per far progredire e promuovere l'idrogeno come fonte di energia, in vista della riduzione delle emissioni di gas a effetto serra!

Che dire, basta vedere chi sono:
Air Liquide, Alstom, AngloAmerican, BMW, Daimler, Engie, Honda, Hyundai, Kawasaki, Shell, Linde, Total et Toyota.


   
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(@manuel)
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Ovviamente gli interessati al diffondersi delle fool cell sono quelli che hanno investito sulla tecnologia e hanno brevetti da far fruttare, chi produce idrogeno  (a partire da fossili) e chi lo distribuisce.

Zac, mi interessa il discorso di bassa potenza delle fuel cell e del fatto che sia necessaria una batteria per consentire certe prestazioni. 
Potresti linkare un sito/articolo che ne parli? Avevo già letto di questo problema ma non so dove..


   
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(@zac52)
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Beh anche già solo su wikipedia in italiano c’è molta spiegazione sulle pile a combustibile.
Sulla versione in tedesco vi è pure una tabella con i rendimenti dei vari tipi di celle.

In inglese si trovano molti articoli che parlano delle “fuel cells”, per alcuni è il futuro, altri articoli sono molto critici.
Anche per la Toyota Mirai wikipedia riporta molte informazioni. Nella versione tedesca viene persino definita , al riferimento 13, “eines der klimafeindlichsten Autos überhaupt“ una delle vetture più nemiche del clima! (visto da come si produce l’idrogeno attualmente)

Nel sito ufficiale di Toyota non si parla espressamente di batterie, si parla solo di “tecnologia ibrida” , in un altro punto si parla delle batterie solo per il recupero dell’energia in frenata.

Inoltre Youtube in tedesco: Horst Lüning, Wasserstoffautos


   
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(@manuel)
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Si ho già letto molto sia su wiki che cercando articoli su google. 
Ma nello specifico delle performance e della necessità di una batteria "buffer" come l'hai spiegata bene tu non trovavo niente.
Cercherò meglio con più calma.


   
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(@zac52)
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Qualche curiosa speculazione su Toyota Mirai... https://www.wired.com/2015/03/another-reason-toyota-make-hydrogen-fuel-cell-car/


   
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(@haran-banjo)
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Post: 22
 

Thread interessante! Segnalo anche questo recente articolo con molte informazioni sui vari aspetti dell'uso dell'idrogeno nelle automobili.

https://www.greenstart.it/realta-speranze-e-problemi-delle-auto-a-idrogeno-24614


   
RispostaCitazione
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