Emissioni CO2, i vantaggi dell’idrogeno nei motori a combustione interna

Westport Fuel Systems e Avl hanno pubblicato lo studio “Total cost of ownership (Tco) analysis for heavy duty hydrogen fueled powertrains” sull’impatto ambientale dei motori a combustione interna alimentati a idrogeno. Canale Energia intervista Marco Seimandi, vicepresidente sales and marketing di Westport Fuel Systems.

Perché avete pensato di usare l’idrogeno per alimentare un motore a combustione interna e non una fuel cell?

Ci sono molte ragioni, in sintesi direi perché è una soluzione conveniente: ci sono aspetti tecnici che indicano che la combustione interna, grazie alla nostra tecnologia Hpdi, garantisce una maggiore efficienza energetica complessiva.
Ad oggi sono state effettuate simulazioni numeriche che ci permettono di affermare che, per profili di utilizzo specifici, un Ice Hpdi ad idrogeno garantisce potenzialmente un Tco inferiore rispetto ad un Fcev inferiore.

In particolare, l’idrogeno sembra essere più adatto rispetto ai Bev alimentati da FC per le applicazioni HD in che richiedono autonomie superiori ai 400 km/giorno ed un uso intensivo, su più turni.

Le valutazioni derivanti dallo studio congiunto Avl – Wfs sui motori a idrogeno a combustione interna consentono di affermare che, per un orizzonte di 5 anni di servizio e senza considerare i pedaggi stradali, il Tcc del veicolo equipaggiato con il sistema Hpdi a idrogeno è inferiore al Tco del veicolo Fcev. Il motivo principale di tale vantaggio è che l’Hpdi a idrogeno consente un eccellente equilibrio tra costi di acquisto e costi operativi. Il costo di acquisto per i camion alimentati con Hpdi H2 è molto più vicino al prezzo degli attuali mezzi pesanti diesel, dal momento che i propulsori HPDI sfrutteranno gli stessi impianti di produzione per motori a combustione interna attualmente esistenti, efficienti, altamente ottimizzati e completamente ammortizzati.
I motori a H2 Hpdi, a combustione interna, consentiranno costi operativi che si prevedono inferiori di circa l’8% rispetto a quelli dei Fcev per applicazioni su mezzi pesanti con elevati fattori di carico.

A breve termine, i motori H2-Ice e soprattutto H2-Hpdi sono una soluzione adatta per
per ridurre le emissioni di CO2 dai trasporti.
L’Hpdi – H2 riduce drasticamente le emissioni di CO2, HC e PM allo scarico. L’unico aspetto peggiorativo, per un veicolo pesante Hpdi – H2 in condizioni operative identiche rispetto ad un diesel, è rappresentato dalle emissioni di NOx, più elevate a causa della maggiore temperatura di combustione dell’H2.
Tuttavia, tali emissioni di NOx possono essere gestite facilmente a mezzo dell’Egr e della comune tecnologia di post-trattamento dei gas di scarico. A tale proposito resta da esplorare la possibilità di utilizzare lo stesso H2 in quanto forte agente riducente per il post-trattamento dei gas di scarico. Nel complesso la tecnologia H2-Hpdi consente di raggiungere livelli di riduzione delle emissioni di CO2 di oltre il 98%.

Guardiamo all’integrazione di Hpdi con idrogeno anche per ragioni di produzione industriale: lavorare su soluzioni basate sul motore a combustione consente di mantenere vivi gli impianti produttivi già esistenti, senza la necessità di abbandonare linee produttive e crearne di nuove.

Il costo della riduzione di anidride carbonica è fondamentale nei quadri normativi e vogliamo fornire soluzioni sempre aggiornate per la mobilità green. Inoltre, parliamo di un total cost of ownership nettamente inferiore. La nostra specialità è lavorare con combustibili gassosi. Le ricerche stanno dimostrando l’enorme potenziale dei sistemi di propulsione a idrogeno nel trasporto heavy-duty, che richiedono ancora molti step di sviluppo e bisogna tenere in considerazione che anche le infrastrutture sono necessarie per una vera diffusione di mercato.
Le fuel cell non sono le uniche soluzioni di ricerca e sviluppo per la mobilità sostenibile ad idrogeno, e forse non sono neanche le più vantaggiose.

Di che tipo di H2 stiamo parlando?

Stiamo lavorando su ricerche che utilizzano H2 gassoso, compresso a 700 bar, che si avvia ad essere, per generale consenso dei costruttori, lo “standard” più diffuso. Dal punto di vista del funzionamento del sistema non è rilevante che si tratti di idrogeno grigio o blu; la tecnologia di produzione dell’idrogeno non è influente ai fini dell’utilizzo dello stesso con un sistema di alimentazione Hpdi.

Quali sono i principali risultati dello studio sui motori a idrogeno a combustione interna e quali i vantaggi di questo tipo di alimentazione e motore nel computo del total cost of ownership?

Il Tco è decisamente più conveniente con il motore Hpdi a idrogeno. Il motore endotermico mostra indicatori economici complessivi più positivi rispetto alle fuel cell.
Il grafico qui di seguito descrive efficacemente la convenienza dell’Hpdi – H2 in termini di efficienza termica rispetto ad altre tecnologie SI (Spark Ignited). Ovviamente la maggiore efficienza termica si traduce, se il carburante utilizzato è lo stesso, in maggiore efficienza economica ovvero in valori di Tco inferiori.

L’Hpdi supera significativamente gli altri approcci di combustione nell’efficienza termica. H2
funzionamento con l’attuale sistema di alimentazione Hpdi supera il gas naturale in termini di efficienza termica. Nel complesso, la combustione dell’idrogeno a mezzo di un sistema Hpdi garantisce migliori prestazioni in termini di efficienza, densità di potenza e robustezza della combustione.

Su quali veicoli può essere impiegato? Può essere adattato all’alimentazione con carburanti sintetici?

Hpdi è la tecnologia più efficiente per i motori a gas e mantiene l’efficienza e la potenza del motore diesel di base. È già oggi una soluzione migliorativa che il mercato sta considerando, sempre di più, di adottare per i mezzi pesanti. È disponibile in commercio per l’uso con Bio-Lng e può essere adattata per l’utilizzo di una gamma di combustibili gassosi, compreso l’idrogeno.
Vogliamo però guardare anche al futuro e stiamo quindi studiando e sperimentando l’idrogeno. I primi risultati dei nostri prossimi studi dovrebbero arrivare nella tarda primavera. È un percorso di ricerca e sviluppo prima ancora che di test su strada e di successiva, ora lontana, commercializzazione. In linea teorica Hpdi può essere testato anche con carburanti sintetici.

Quali crede siano i tempi per una diffusione capillare di questa e altre tecnologie a idrogeno, rinnovabile?

Ci sono molti elementi di contesto che dovrebbero muoversi all’unisono per portare un cambiamento reale nel mercato e non è facile fare questa previsione. Se ci vogliamo addentrare in stime assolutamente approssimative probabilmente parliamo degli ultimi anni dell’attuale decennio.

Ritiene che la strategia europea sull’idrogeno abbia fissato dei target raggiungibili e davvero stimolanti per l’industria e le istituzioni UE? 

La strategia europea mira a sostenere tutte le iniziative positive nel campo delle “green fuels” per raggiungere il più ampio obiettivo della riduzione delle emissioni. I target normativi, anche quelli sull’idrogeno, sono sempre di indirizzo del mercato, ma per una valutazione di concretezza bisogna attendere le reazioni di un intero sistema industriale. L’efficacia si verifica sul grado di coinvolgimento che è ancora tutto da capire. C’è un avanzamento tecnologico che non è facile prevedere ora da parte di tutti gli attori del sistema. Dal punto di vista strategico questo è un approccio sicuramente razionale e fondato: prima si costruisce la disponibilità del nuovo carburante in termini di produzione e di distribuzione, poi ci si preoccupa di diffonderne e supportarne l’utilizzo. Da questo punto di vista la politica europea è perfettamente coerente con l’obiettivo ultimo che consiste nel raggiungimento della neutralità climatica al 2050. Saranno certamente necessarie, nel corso dei prossimi anni, ulteriori iniziative, a complemento della strategia generale sopra delineata, focalizzate all’implementazione dell’idrogeno nell’ambito dei sistemi di propulsione.