Cos’è Hydrogen e come funzionano le vetture ad idrogeno?
- Camilla Coletta
- 27 mag 2024
- Tempo di lettura: 7 min
Le vetture ad idrogeno sono sempre più vicine ad essere una nuova realtà in pista, soprattutto nel Mondiale Endurance. Infatti, da anni ACO e MissionH24 stanno lavorando per inserire vetture alimentate ad idrogeno nel WEC, ma non sono gli unici.
“Con l'introduzione di prototipi ibridi alla 24 Ore di Le Mans, la riduzione dei consumi è stata notevole. Un passo rivoluzionario è stato fatto con i prototipi a propulsione elettrica-idrogeno poiché si tratta di competizione a zero emissioni. Un'auto dotata di un gruppo propulsore elettrico-idrogeno rilascia nell'atmosfera solo vapore acqueo.”
Ha detto Bernard Niclot, Direttore Innovazione del programma MissionH24.
Ma cos’è l’idrogeno e come potrebbe sostituire i combustibili fossili?
Combustibile definito come sicuro, efficiente, versatile e a zero emissioni, l’idrogeno è, appunto, un combustibile che ha però la particolarità di non emettere CO2. Ma se non emette carbonio, quale è il prodotto di scarto dell’idrogeno? La risposta è Acqua. Ebbene si, l’idrogeno, reagendo a contatto con l’ossigeno, produce energia ed acqua come unico elemento di scarto.
Un combustibile a zero emissioni, che però ha una grossa pecca: è vero che questo elemento è presente in enormi quantità in natura ma sempre legato ad altri elementi, ed è proprio questo che lo rende inutilizzabile allo stato in cui si trova naturalmente. Diventa quindi costoso estrarlo e richiederebbe quantità di energia che “non varrebbero la pena” in quanto sarebbe più lo spreco che il guadagno.
Questo è l’ostacolo più grande di questo tipo di combustibile che non lo rende ancora la scelta migliore, ma non è l’unico.
Lo stoccaggio di idrogeno è un altro grosso problema in quanto questo gas è poco denso e quindi occupa molto spazio allo stato gassoso. Una casa costruttrice aveva pensato ad un altro modo di magazzinaggio, ovvero liquefarlo, ma l’idrogeno resta liquido solo a temperature inferiori ai -253ºC e le sfide non erano mancate.
Inoltre, essendo l’idrogeno una molecola molto piccola, questo può oltrepassare molti materiali che apparentemente sembrerebbero solidi, fuoriuscendo così da serbatoi e diventando potenzialmente pericoloso.
Come funziona un motore alimentato a combustione di idrogeno?
Un motore ad idrogeno può essere una grossa risorsa in ambito di riduzione di emissioni, anche se è molto importante fare distinzioni sul tipo di motore ma, soprattutto, della provenienza dell’idrogeno in quanto questo può essere green (proveniente da fonti rinnovabili) o meno (proveniente da combustibili fossili).
Quando parliamo di motore ad idrogeno è importante fare una distinzione. Infatti, esistono due tipi, completamente diversi, di motore ad idrogeno: il fuel cell system e il motore termico alimentato ad idrogeno.
Fuel Cell System
Il Fuel cell system è un motore composto, come dice il nome stesso, da celle a combustione che trasformano l’energia chimica dell’idrogeno in energia elettrica grazie alla reazione chimica che avviene tra questo elemento e l’ossigeno presente nell’aria. Questa reazione chimica permette agli elettroni estratti dall’idrogeno di creare energia che verrà poi immagazzinata in una batteria, senza alcuna combustione, possiamo quindi dire che questo sistema si avvicina al funzionamento di una macchina elettrica, la differenza sta nel fatto che la vettura non viene alimentata direttamente collegandola alla corrente, ma questa viene generata grazie al circuito ad idrogeno.
Motore termico alimentato ad idrogeno
Il motore termico alimentato ad idrogeno è, invece, completamente diverso dal Fuel Cell system. Il motore termico a combustione di idrogeno ha una funzione simile ai motori a combustione fossile (benzina o diesel), la differenza è che a bruciare è proprio il gas. Quando l’idrogeno entra nella camera a combustione viene a contatto con l’ossigeno presente nell’aria, questo processo permette, nel momento in cui il gas brucia, al pistone di muoversi trasformando così l’energia chimica in energia meccanica.
È importante sottolineare che questo tipo di motore non può essere considerato ad emissioni zero. È vero che l'idrogeno, allo stato puro, non contiene carbonio e di conseguenza non è in grado di rilasciarlo, ma durante la combustione di questo gas, partecipano l'azoto e l'ossigeno (aria ambiente) e questa reazione tra gli elementi può rilasciare ossidi di azoto, considerati agenti molto inquinanti.
Il prototipo ad idrogeno di Mission H24
Mission H24 è un progetto che nasce nel 2018 da GreenGT e ACO che ha come scopo di portare in pista auto alimentate ad idrogeno. Questo programma ha già dato alla luce diversi prototipi, che utilizzano questa tecnologia, che sono scesi in pista negli anni dimostrando che l’idrogeno potrebbe arrivare a correre a Le Mans.
Nel 2022, per la prima volta, un prototipo di MissionH24 è stato iscritto ad un campionato, la Michelin Le Mans Cup, con la H24 nella categoria “sperimentale” partecipando a 4 gare del campionato.
Ad ottobre del 2023, è stato presentato il nuovo prototipo di MissionH24: H24 EVO, un prototipo che verrà testato al banco da ottobre del 2024 e dovrebbe scendere in pista a partire da gennaio 2025 per i primi test su circuito.
Quest’anno, in occasione della novantaduesima Le Mans, il 15 giugno 2024, prima della gara, scenderanno in pista diversi prototipi ad idrogeno, tra cui Liger-Bosch con la Liger JS2 RH2, una vettura dotata di un motore termico H2, e la H24 di MissionH24, un prototipo che monta un motore elettrico Fuel Cell. Con loro ci sarà anche la Alpenglow Hy4 di Alpine.
“Questo 15 giugno 2024 segnerà la storia della 24 Ore di Le Mans. Per la prima volta, i prototipi a idrogeno si evolveranno sul grande circuito di Le Mans con l'h24 del nostro programma missionh24. La Ligier JS2 RH2 affronta questa sfida e ne sono entusiasta. Questa dimostrazione è molto più che simbolica, dimostra il merito di missionh24 che partecipa alla creazione di una categoria idrogeno alla 24 Ore di Le Mans con veicoli impegnati dai costruttori. Con l'idrogeno, le gare di resistenza si preparano alla competizione sostenibile.”
Ha detto il presidente dell’automobile club de l’Ouest Pierre Fillon.
L’affidabilità del motore ad idrogeno Fuel Cell
Sul sito ufficiale di MissionH24, si parla di motore ad idrogeno come “perfetto per le gare endurance” in quanto l’affidabilità di questo è molto elevata grazie alla particolare formazione del motore ad idrogeno formato da nessun organo in movimento, ma si parla del Fuel Cell system ovvero quello utilizzato sulla H24.
Hydrogen Class: ci sarà davvero un futuro delle corse a zero emissioni?
La missione dell’ACO verso la decarbonizzazione, nonostante ci siano ancora dei miglioramenti in questo abito da fare, continua e, per il 2027, è previsto l’arrivo della prima vettura per la categoria ad idrogeno a Le Mans: Hydrogen. L’arrivo della classe Hydrogen aperta ai costruttori, invece, è previsto per il 2030.
La data dell’arrivo a Le Mans della categoria continua a slittare, questo perché, come ha dichiarato Pierre Fillon, ci sono ancora delle modifiche da fare in ambito sicurezza sulle quali stanno lavorando.
Il più grande banco prova delle auto, il WEC, da anni lavora a progetti di prototipi alimentati ad idrogeno con la tecnologia Powertrain fuel cell, ma nella categoria Hydrogen anche il motore a combustione di idrogeno sarà permesso.
Intanto, a quanto detto da Pierre Fillon, i regolamenti per questa nuova categoria sono in lavorazione e saranno in vigore a partire dal 2027. Inoltre, il presidente dell’Automobile Club de l’Ouest ha detto a motorsport.com riguardo ai motori ad idrogeno ed alla nuova categoria:
“Sarà una nuova tecnologia e ci vorranno uno o due anni perché diventi totalmente competitiva, ma i regolamenti sono stati concepiti per permettere a un'auto a idrogeno di vincere. Il mese prossimo a Le Mans ci sarà un annuncio importante sull'idrogeno.”
Ma chi sarà a gareggiare in questa categoria? Definire oggi quelli che saranno i concorrenti è ancora troppo presto anche se, a quanto sembra, i costruttori interessati al momento sono ben otto. Di certezze sui nomi non ce ne sono, abbiamo però avuto l’occasione di vedere la GR H2 Racing Concept di Toyota a Le Mans lo scorso anno e Alpenglow di Alpine a Spa, lo scorso fine settimana. Due concept cars che ci fanno capire che anche i costruttori si stanno avvicinando sempre più a questa realtà.
La vettura ad idrogeno di Toyota
Toyota con la GR H2 Racing Concept è stata presentata in una conferenza stampa dell’ACO il 9 giugno dello scorso anno in occasione della 24 Ore di Le Mans. Un nuovo tassello molto importante per la Casa giapponese che, per la prima volta, ha presentato un prototipo di vettura con motore termico alimentato ad idrogeno.
Le specifiche della GR H2 Racing Concept ad oggi non sono note, se non che il motore pensato è un propulsore ad idrogeno unito ad un sistema ibrido.
Ma non è stata la prima volta che Toyota che si è avvicinata a questa nuova realtà: nel 2021, infatti, era scesa in pista una Corolla con motore ad idrogeno nella Super Taikyu Series e, l’anno dopo, nell’IDEMITSU 1500 SUPER ENDURANCE 2022 per alcune tappe.
L’utilizzo di idrogeno liquido con la Corolla H2
Nel 2023 Toyota GR scende in pista, per la prima volta al mondo, con una vettura che utilizzava idrogeno liquido. Una scelta, come detto precedentemente, furba dal punto di vista di riduzione degli spazi di stoccaggio di idrogeno, che ha anche permesso di raddoppiare l’autonomia della vettura con lo stesso tempo di rifornimento; perfino i pit-stop sono risultati più veloci ed efficienti, in quanto il rifornimento poteva essere effettuato nella stessa area dove veniva effettuato dagli altri concorrenti grazie alle stazioni di rifornimento più piccole e grazie al minor numero di rifornimenti necessari.
Però è bene ricordare che l’idrogeno resta liquido solo a bassissime temperature che, per essere mantenute, necessitano di un sistema che è andato ad incrementare notevolmente il peso della vettura e che hanno reso difficile lo sviluppo di pompe carburante capaci di mantenere temperature così basse e che non facessero evaporare il gas durante l’introduzione nei serbatoi.
La Corolla H2 non è stata solo una sfida per la Casa Giapponese e per l’incremento delle tecnologie, ma è stata la dimostrazione che questo tipo di motore può davvero competere nelle gare endurance, concludendo la 24 Ore del Fuji.
Il futuro ad idrogeno di Alpine
Alpine ha presentato una concept car con il nome Alpenglow Hy4 scendendoci in pista quest’anno in occasione del finesettimana della 6 Ore di Spa con delle dimostrazioni. Alpenglow presenta un motore di sviluppo a 4 cilindri ed un motore V6 progettato interamente da Alpine proprio per essere alimentato ad idrogeno, trazione posteriore con 340 cavalli ed una trasmissione a 7 velocità.
L’abitacolo della concept car della Casa francese si presenta a due posti, racchiuso in un design futuristico della carrozzeria interamente in carbonio scolpita appositamente per la pista, anche se questa vettura è pensata anche per la strada. Il design di Alpenglow è studiato per resistere alle elevate pressioni dei cilindri per la combustione dell’idrogeno, lo stoccaggio di quest’ultimo è pressurizzato e capace di contenerne per oltre 6 chili.
Bruno Famin, VP Alpine Motorsports ha detto:
"Nell'ambito della nostra partecipazione attiva alla decarbonizzazione degli sport motoristici, consideriamo il motore a combustione interna a idrogeno una soluzione estremamente promettente. L'idrogeno potrebbe benissimo essere un passo essenziale nella decarbonizzazione delle prossime generazioni di auto di Formula 1 e Endurance, in particolare passando allo stoccaggio di liquidi in futuro per migliorare le prestazioni. Il concetto di Alpenglow illustra perfettamente questo, un vero e proprio laboratorio tecnologico per lo sviluppo dei motori a idrogeno di domani."
Questo non è il modello definitivo, è infatti prevista una nuova versione di Alpenglow prima della fine dell’anno. La concept car di Alpine sottolinea l’impegno della Casa francese nella decarbonizzazione delle auto sportive non solo in pista ma anche su strada mantenendo delle prestazioni elevate ma sostenibili.
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