Se non sai fare è difficile costruire, ottenere, raggiungere. Per saper fare devi aver la possibilità di studiare e di imparare. Se non vieni formato non hai niente di utile da conoscere, approfondire. Se non conosci non hai i mezzi per risolvere i problemi giornalieri. Risultato: hai sempre bisogno di qualcuno che risolva i problemi per te. Ma ognuno li risolve come meglio crede. La risoluzione che ti potrebbe essere fornita, quindi, potrebbe essere in conflitto con quello che tu avresti fatto se solo avessi avuto modo di conoscere, studiare… Si ma studiare cosa?

Tutto parte da quello che sai fare, o puoi/vuoi imparare a fare, e da quello che la tua testa riesce a concepire. Per questo per le menti più teoriche è molto utile fare indigestione di ricerca e sviluppo, mentre per le menti pratiche è altrettanto importante fare un pieno di formazione e competenze. Per altri ancora sono importanti entrambe le cose; senza questi strumenti si è disarmati e si è costretti a vivere passivamente una o più situazioni.

Molto frequentemente si imputa l’insufficiente preparazione di un individuo al fatto che non abbia avuto voglia di studiare/fare. Purtroppo però ci sono fenomeni che contraddicono le normali credenze. Poco tempo fa, ad esempio, ho chiesto, presso la mia Università, di poter utilizzare un laboratorio al fine di saldare delle parti. Ovviamente conosco diverse persone che sono particolarmente abili in questo, ma avevo piacere di imparare cose nuove cercando nell’Università un riferimento che consideravo più che solido. Ebbene la risposta è stata negativa in quanto il professore al quale ho chiesto informazioni mi ha risposto che per fare “simili cose” occorre che l’Università faccia un’apposita assicurazione e questo non è possibile. «Simili cose?» Avevo solo bisogno di fare qualche saldatura assistito da personale esperto. La risposta finale è stata semplicemente il suggerirmi di fare un corso a pagamento…

Un’Università così mi sembra un po’ limitata e la definizione che vede gli studenti come dei clienti inizia a sembrarmi razionale. Ricordo con piacere quando all’Istituto Tecnico i laboratori ce li facevano utilizzare in lungo e largo, sempre assistiti da personale esperto ovviamente. In quel caso succedeva persino il contrario, uno studente che mostrasse il desiderio di tornare a scuola il pomeriggio per utilizzare delle macchine utensili, degli strumenti o comunque dei laboratori, era tanto ben visto quanto raro. In tali casi preside e vice preside elargivano serenamente permessi su permessi in concomitanza con le possibilità di professori e assistenti di laboratorio. Oggi invece, tutto si basa sulle proprie capacità e la propria “autonomia nel fare”. Senza… siamo semplicemente disarmati.

Il termine “disarmato” non viene utilizzato facendo riferimento al
campo semantico delle armi offensive bensì a quello del “fare”,
es.: armarsi di buone intenzioni, di voglia di fare…

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Trattasi di un corpo in grado di assorbire totalmente l’energia raggiante che lo investe. Stiamo parlando quindi di un oggetto ideale in quanto non esiste alcuna sostanza, nemmeno il nerofumo, che soddisfi completamente questa condizione, senza riflettere o trasmettere neppure una minima parte delle radiazioni incidenti. Il corpo nero si chiama così perché assorbe molto bene tutta la radiazione che lo investe. Un’ottima approssimazione di corpo nero è un contenitore in cui sia stato fatto un piccolo foro. A temperatura ambiente il foro appare assolutamente nero, ed il motivo è che la radiazione luminosa che entra nel contenitore viene diffusa molte volte al suo interno, ed è molto più probabile che alla fine venga assorbita piuttosto che riesca ad uscire dallo stesso foro da cui è entrata.

La radiazione che entra nella cavità scalda le pareti. Queste riemettono l’energia sotto forma di radiazione infrarossa. Al raggiungimento dell’equilibrio termodinamico l’energia elettromagnetica entrante nella cavità è uguale a quella irraggiata dal foro tuttavia, il tipo di radiazione emessa dipende dalla temperatura della cavità. Ciò dimostra come un corpo nero non sia effettivamente nero. Esso appare così solo nei pressi della temperatura ambiente ovvero in quel range di temperatura in cui la radiazione visibile assorbita viene restituita nel campo delle microonde o dell’infrarosso lontano che, ovviamente, non siamo in grado di vedere. Se le pareti del corpo nero fossero a temperatura elevata, ad esempio a circa 1000 °C, allora il foro riemetterebbe radiazione visibile e il corpo non sarebbe assolutamente nero.

 La radiazione luminosa che entra nel corpo nero viene diffusa molte volte al suo interno,
ed è molto più probabile che alla fine venga assobita piuttosto che riesca ad uscire
dallo stesso foro da cui è entrata.

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Rubrica: I padroni della coppia

Titolo o argomento: Il torque vectoring ZF

Con il sistema Vector Drive (sistema dedicato alle auto a trazione posteriore e 4×4) si migliora notevolmente la dinamica di guida e la sicurezza. Il sistema provvede a distribuire la corretta coppia individualmente per ogni ruota motrice. In tal modo si genera un momento di imbardata (quindi un momento attorno all’asse verticale del veicolo) il quale può essere usato sia per migliorare l’agilità, sia per migliorare la stabilità del veicolo. In questo contesto la differenza di coppia tra le ruote viene generata indipendentemente dalla coppia motrice in uscita dal cambio (anche quando il guidatore non sta accelerando). Il veicolo viene aiutato nella sterzata durante la percorrenza delle curve, inoltre può essere stabilizzato in caso di manovre brusche senza agire sui freni. La manovrabilità (handling) dei veicoli dotati di questo dispositivo è eccellente specie nelle situazioni critiche nelle quali non tutti i guidatori sono preparati. Alla guida dei veicoli dotati di “vector drive” si può subito notare come lo sterzo risponda meglio e più rapidamente (sono infatti necessarie meno correzioni) migliorando il piacere di guida senza nulla togliere alle prestazioni dinamiche.

Per raggiungere questo obiettivo lo schema della trasmissione è stato dotato di un rotismo epicicloidale (con relativo sistema di frenatura del treno portasatelliti) per ogni asse di trasmissione. In attesa di poter leggere i successivi articoli inerenti il Vector drive potrebbe interessarti leggere l’articolo: Rotismi epicicloidali semplici: come funzionano?). Quando si procede lungo un rettilineo, il sistema “vector drive” si comporta come un ordinario differenziale aperto. La coppia motrice è ripartita in ugual misura su entrambi gli assi. Non appena il veicolo entra in curva, la coppia viene distribuita singolarmente in misura diversa tra la ruota interna e quella esterna alla curva. La coppia motrice viene controllata da un freno multidisco, sovrapposto al semiasse, attuato elettro-meccanicamente; questo agisce sul treno portasatelliti del rotismo epicicloidale del singolo asse generando variazioni di coppia. La differenza di coppia tra le ruote motrici viene generata indipendentemente dalla coppia motrice in uscita dal cambio e indipendentemente dall’azione o meno sull’acceleratore da parte del guidatore; la ruota esterna riceve una coppia maggiore rispetto alla ruota interna alla curva.

Il nucleo del vector drive è costituito da un comune differenziale aperto; ricordiamo che un differenziale aperto è in grado di trasmettere la medesima coppia per ogni ruota motrice, pertanto se una ruota perde aderenza e slitta, l’altra si ferma. Nel caso del vector drive invece, grazie all’ “upgrade cinematico”, un normale differenziale aperto diventa un congegno in grado di indirizzare una coppia maggiore dove è disponibile più trazione o, semplicemente, dove occorre. Il vector drive inoltre assolve i compiti solitamente svolti dai differenziali autobloccanti in quanto indirizza più coppia alla ruota con maggiore disponibilità di aderenza. La presenza del vector drive riduce l’uso dei freni, lo slittamento e l’usura dei pneumatici, nonché il consumo di carburante, a scapito di un contenuto aumento di peso e di un sensibile aumento delle perdite organiche della trasmissione.

Vantaggi

Assenza di slittamento dei pneumatici quando sono a contatto con differenti fondi stradali (ad esempio ruota motrice destra sul breccino, ruota motrice sinistra sull’asfalto).

Aumento di stabilità del veicolo, conseguentemente anche della sicurezza, in caso di manovre di emergenza (ad esempio schivando un ostacolo improvviso).

Miglioramento della dinamica di guida, maggiore facilità di inserimento in curva, prevenzione di situazioni di sottosterzo/sovrasterzo eccessivi.

Continua…

Image’s copyright: ZF Friedrichshafen AG

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Rubrica: Utilità di ingegneria

Titolo o argomento: Definizione di lavoro, potenza ed energia. Relazione tra le grandezze.

Ricevendo molte e-mail nelle quali tali concetti vengono frequentemente confusi tra loro o interpretati in modo non sempre esatto, ho pensato che potesse esser utile ai lettori questo articolo. Specie a tutti coloro che sono appassionati di ricerche “fai da te” e si cimentano in piccoli-grandi progetti, frutto del proprio genio creativo, nel garage di casa.

Lavoro

Si parla di lavoro tutte le volte che, applicando una forza (di qualsiasi tipo), si ottiene lo spostamento di un corpo. Se a tavola ti chiedono di passare il cesto del pane, tu compi un “lavoro” nel spostarlo da un punto all’altro della tavola stessa.

Il lavoro “L” è una grandezza scalare (vedi l’articolo: Grandezze scalari - Grandezze vettoriali) uguale al prodotto della forza applicata “F” per lo spostamento “s” misurato nella stessa direzione della forza. La relazione seguente esprime la diretta proporzionalità tra lavoro, forza e spostamento. L’unità di misura del lavoro è espressa in joule: 1 joule equivale al lavoro compiuto da una forza di 1 Newton per spostare un corpo di 1 metro. Pertanto 1 joule = 1 Nm.

L = F · s
L (J) = F (N) · s (m)

Potenza

Il lavoro che compie una forza non dipende dal tempo impiegato, tuttavia è utile sapere il tempo che si impiega per effettuare un determinato lavoro. La maggiore o minore rapidità di una forza nel fare un certo lavoro si esprime con un’altra importante grandezza: la potenza.

La potenza “P” è il rapporto tra il lavoro compiuto “L” ed il tempo “t” impiegato nel compierlo. L’unità di misura della potenza è espressa in watt: 1 watt equivale alla potenza che è capace di esprimere il lavoro di 1 joule in 1 secondo. Pertanto 1 watt = 1 J/s.

P = L / t

P (w) = L (J) / t (s)

Energia

L’energia è la proprietà posseduta da qualsiasi corpo che è in grado di compiere un lavoro. Movimento, calore, suono, luce, elettricità, magnetismo, ecc., sono fenomeni capaci di produrre lavoro e quindi misurabili in termini di energia. L’energia può essere di tipo potenziale “E_p” (immagina ad esempio una pallina ferma sulla sommità di un tavolo, se un’azione la muove oltre l’orlo essa cade a terra compiendo un lavoro - oppure immagina una molla compressa in una scatola, è ferma eppure se apri la scatola si estende compiendo un lavoro), oppure può essere cinetica “E_c” (corpi in movimento, come ad esempio una pallina che si muove lungo un piano, o un pallone calciato, possiedono energia cinetica - dal greco kinesis = movimento). Come per il lavoro l’unità di misura dell’energia è espressa in joule.

E_p = m · g · h

E_p (J) = m (kg) · g (m/s²) · h (m)

E_c = (m · v²) / 2

E_c (J) = (m (kg) · v² (m²/s²)) / 2

Mettendo in relazione “forza e spostamento” ci addentriamo nel concetto di lavoro.
Se consideriamo anche il “tempo” possiamo esprimere il concetto di potenza.
Infine se consideriamo la “capacità di un corpo di compiere lavoro” allora parliamo di energia.

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Rubrica: Curiosità tecnica da corsa

Titolo o argomento: Caratteristiche del sistema Lotus AVT (Active Valve Train)

Negli articoli “La distribuzione senza alberi a camme: Lotus AVT” e “Lotus Active Valve Train (circuito idraulico e diagramma distribuzione)” abbiamo descritto il sistema di distribuzione elettro-idraulico ideato da Lotus; ora ci avviamo a concludere questa breve raccolta di articoli sul dispositivo riportando le specifiche che Lotus si era prefissata di raggiungere e che ormai sembra aver raggiunto e superato grazie ad un’incessante ricerca e ad un continuo lavoro di affinamento.

Lotus AVT - Dettagli tecnici

Alzata valvole: da 0mm a 15mm con possibilità di variazione continua lungo tutto il range di funzionamento del motore.

Errore alzata valvola possibile: 1%; se ad esempio a 3250 giri/min si imposta elettronicamente un’alzata massima di 9mm, l’alzata reale si può discostare da quella teorica del solo 1% (ovvero 0,09mm).

Durata fase di aspirazione/scarico: senza restrizioni.

Errore durata fase di aspirazione/scarico possibile: 1° di rotazione dell’albero motore. Ovvero le valvole si possono aprire/chiudere con un grado di anticipo, o di ritardo, di rotazione dell’albero motore.

Fasatura (anticipo/ritardo apertura/chiusura valvole): senza restrizioni.

Velocità massima delle valvole: 5 m/s.

Funzionamento valvole: indipendente.

Massimo regime di rotazione motore: 7000 giri/min (motori a benzina); 2400 giri/min (motori a gasolio per mezzi pesanti).

Pressione residua nel cilindro: 20 bar (70 bar per i sistemi Exhaust Braking).

Continua…

Lotus AVT valve block

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Rubrica: Tecnologie utili ai mezzi elettrici ed ibridi, ma non solo…

Titolo o argomento: Multi-materials concept

Prosegue dall’articolo: Verso la riduzione della massa dei veicoli ibridi - Parte prima

Circa un quarto della massa di un autoveicolo è rappresentato dall’insieme delle parti strutturali saldate prima che vengano montati gli elementi della carrozzeria, le portiere, i cofani, i passaruota, i paraurti, i vetri, gli interni, la meccanica e gli impianti. Il veicolo, in questa fase della sua produzione, viene denominato “Body In White” (BIW) ed è costituito esclusivamente da quello che potremmo definire il suo nucleo. Il BIW è la parte che generalmente è più soggetta a sforzi di ricerca, progettazione e analisi di tecnologie disponibili per la riduzione della sua massa. Nella storia dell’automobile, il “Body In White”, ha attraversato un profondo cambiamento dei materiali impiegati a partire dal legno, la ghisa, l’acciaio HSS (high-strength steel - acciaio ad alta resistenza), l’acciaio AHSS (advanced high-strength steel), l’alluminio, il magnesio, fino ai compositi a matrice polimerica (PMCs). Tra il 1995 ed il 2007 l’uso dell’alluminio per la struttura dell’autoveicolo è aumentato del 23%, l’uso dei compositi a matrice polimerica è aumentato del 25%, l’impiego del magnesio è aumentato del 127%. Ora che è possibile impiegare materiali di ottimo livello si può procedere ad un ulteriore riduzione della massa tramite le tecnologie di progettazione ottimizzata (vedi anche l’articolo relativo all’ottimizzazione topologica). Mediante tali tecnologie si può ad esempio asportare il materiale in eccesso che non è coinvolto in una determinata sollecitazione (o in un insieme di sollecitazioni) e di cui il veicolo fa volentieri a meno.

Ottimizzare le masse primarie (quelle del BIW) ovviamente permette poi di ridurre anche le masse secondarie. Pesando meno il veicolo è infatti possibile utilizzare motori, trasmissioni e sospensioni più leggere. Si tratta di un approccio di tipo olistico (la sommatoria funzionale di un insieme è sempre legata alla prestazione delle singole parti che lo compongono) che prevede un sistema di progettazione integrato del veicolo. Non solo le geometrie vengono studiate per inserire materiale solo laddove si presentano delle sollecitazioni, ma oggi è anche possibile utilizzare differenti materiali per completare una medesima struttura (multi-material approach) grazie anche a nuovi avanzati processi manifatturieri. Per raggiungere la riduzione di massa desiderata possono essere impiegati metodi quali la sostituzione dei materiali, l’ottimizzazione strutturale, l’integrazione strutturale e l’integrazione funzionale.

In confronto ad una normale struttura in acciaio, la struttura in HSS realizzata da Auto Steel Partnership raggiunge una riduzione di massa tra il 20% ed il 30%. La struttura in alluminio realizzata per le Jaguar XJ o per le Audi A8 e A2, raggiunge addirittura una riduzione di massa che va dal 30% al 40%. Infine la riduzione di massa ottenuta da Lotus, grazie ad una struttura multi-materiale costituita per il 37% da alluminio, per il 30% da magnesio e per il 21% da PMCs, raggiunge un valore del 38%. E’ chiaro ormai che, utilizzando un materiale con caratteristiche meccaniche migliori, è possibile ottenere una sostanziale riduzione di massa ma il grande potenziale deriva da un sistema integrato multi-materiale che sfrutta le proprietà di alluminio, magnesio, PMCs, e acciaio AHSS.

Sebbene l’utilizzo di materiali avanzati comporti un incremento dei costi di produzione, la progettazione integrata del veicolo, con un approccio multi-materiale e nuovi processi manifatturieri, arriva invece a costare persino meno di una tradizionale progettazione. Nel bilancio diverse case automobilistiche hanno dimostrato di poter ottenere una significativa riduzione delle masse in gioco con un impatto sui costi moderato o addirittura vantaggioso: Volkswagen ha realizzato un prototipo superleggero risparmiando 8 Euro per ogni chilogrammo di massa in meno; Lotus ha ottenuto una riduzione dei costi complessiva del 2%.

Body In White

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Rubrica: Tecnologie utili ai mezzi elettrici ed ibridi, ma non solo…

Titolo o argomento: Ridurre la massa dei veicoli per migliorare prestazioni e consumi

Se si osservano attentamente le schede tecniche dei nuovi veicoli elettrici ed ibridi, si scopre che hanno masse* di gran lunga superiori a quelle delle sorelle dotate del solo motore a combustione interna. Ovviamente l’elevato incremento di peso, offerto dal motore elettrico e da enormi pacchi batterie, penalizza le prestazioni e tiene nascoste le reali potenzialità di simili mezzi. Allora in che direzione si sta andando per render ancora più appetibile questa nuova generazione di veicoli ed esaltarne le reali potenzialità?

Prima di avviarci ad un interessante approfondimento sulla questione, ecco di seguito un grafico (fig.1) relativo ad un veicolo (classe B del NEDC: New European Driving Cycle) con motore a gasolio 1,4 litri, che mostra un interessante bilancio. Del 100% dell’energia prodotta dalla combustione, il 38% viene perso sotto forma di calore ceduto all’impianto di raffreddamento, il 43% viene perso tramite i gas esausti e solo il 19% si trasforma in lavoro meccanico. Quest’ultima fetta, a sua volta, accusa un 36% di perdite per “resistenza aerodinamica”, un altro 28% di perdite per “resistenza al rotolamento” ed un ultimo 36% di spesa in energia cinetica. Sia la fetta del 28% relativa alla resistenza al rotolamento, sia la fetta del 36% relativa alla spesa di energia cinetica, sono legate (tramite note relazioni) alla “massa del veicolo”. In soldoni significa che riducendo la massa del veicolo si possono contenere tali perdite. Per fare un esempio numerico basti pensare che, ogni 100 kg di massa risparmiata sul veicolo, è possibile ridurre di 3,5 g/km l’emissione di CO2. A questo beneficio primario si aggiungono benefici secondari che consistono nella possibilità di utilizzare motori più piccoli e leggeri con trasmissioni ed impianti frenanti proporzionalmente più piccoli e leggeri. Ciò si traduce nella possibilità di ottenere una riduzione di CO2 superiore agli 8,5 g/km.

Fig. 1

Nella figura successiva (fig.2) è invece riportato un grafico che mostra il bilancio energetico di un veicolo (classe B del NEDC: New European Driving Cycle) con motore elettrico. E’ possibile osservare come “l’efficienza tank-to-wheel” (ovvero dal serbatoio alla ruota) sia molto maggiore e come, a parità di proporzione delle perdite meccaniche, sia possibile trarre un beneficio molto maggiore (rispetto ad un veicolo dotato di motore a combustione interna) dall’intervento di riduzione delle masse.

Continua… 

Fig. 2

La Honda Civic Hybrid sul mercato dal 2012 accusa un aumento di peso di circa 100 kg rispetto alla versione tradizionale. La BMW Active Hybrid X6 accusa addirittura un aumento di peso di circa 260 kg rispetto alla versione non ibrida. Il Pacco batterie della Tesla Motors Roadster pesa circa 400 kg ma se consideriamo che dispone solo di motore elettrico significa che sono stati risparmiati circa 200 kg di motore a combustione interna con un aumento di peso reale di circa 200 kg.

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Rubrica: Energia

Titolo o argomento: Confronto tra il rendimento della fotosintesi e quello dei pannelli fotovoltaici

Sempre più spesso sento dire che il fotovoltaico non conviene perchè ha un basso rendimento. Così mi sono voluto togliere uno sfizio ed ho fatto una ricerca su come le piante trasformano l’energia luminosa in energia chimica attraverso la fotosintesi (vedi gli articoli:  Fotosintesi clorofilliana - Fotosintesi: fase luminosa e fase oscura); approfondendo ancora di più sono risalito al rendimento che tale processo ha. Certamente se è sufficiente per la natura lo sarà anche per noi. Impensabilmente è emerso quanto segue: esperienze di laboratorio fissano il rendimento della fotosintesi (ovvero della trasformazione dell’energia luminosa in energia chimica) intorno al 35-40% tuttavia, in natura, un rendimento così elevato non si verifica mai poiché nel processo vi sono ingenti dispersioni di energia. In natura il rendimento complessivo della trasformazione dell’energia luminosa in energia chimica, ad opera dei vegetali verdi, si aggira intorno al solo 1-2%.

Tenendo in considerazione quanto appena scritto si può senza dubbio ritenere soddisfacente il rendimento di oltre il 20% dei migliori pannelli fotovoltaici in silicio monocristallino disponibili in commercio, nonché il rendimento di oltre il 40% dei pannellli fotovoltaici per uso aerospaziale. Ovviamente non tutti i pannelli fotovoltaici disponibili in commercio raggiungono o superano di qualche punto il 20%. Questo dipende dalla qualità dei materiali e dalle strategie tecnologiche impiegate per trattenere quanta più radiazione luminosa possibile su una determinata superficie. Generalmente i pannelli fotovoltaici in silicio amorfo hanno un rendimento del 6%, quelli in silicio policristallino hanno un rendimento mediamente del 13%, infine quelli in silicio monocristallino viaggiano tra il 15% ed il 21%.

Certo i più pignoli possono obiettare che trasformare l’energia luminosa in energia chimica non è equiparabile
con il trasformare l’energia luminosa in energia elettrica… Ciò a cui mi riferisco io, però, è il fatto che un processo
naturale che ha permesso la vita sul pianeta ha un rendimento del solo 1-2% mentre noi aspettiamo che il
fotovoltaico abbia un rendimento magari del 70-80% (risultato che tra l’altro potrebbe non raggiungersi mai)
prima di convincerci della sua utilità.

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Rubrica: Energia

Titolo o argomento: I numeri, i costi, il bilancio.

Una veloce carrellata sull’idrogeno che speriamo si riveli chiara e comprensibile. Abbracceremo vantaggi, svantaggi e problematiche legate a questo interessante vettore energetico. Un articolo rapido ed efficace che risponde a tutte le vostre domande in modo chiaro, ordinato, oggettivo e riscontrabile.

Statistiche

Del 95% dell’idrogeno attualmente utilizzato nel mondo, ben il 50% viene ricavato dal gas naturale, il 30% viene ricavato dal petrolio, infine circa il 20% viene ricavato dal carbone. Questo significa che, attualmente, l’idrogeno viene prodotto proprio con quelle fonti che l’umanità cerca di evitare visti gli effetti collaterali prodotti. Ma non è tutto, il primo produttore e consumatore di idrogeno al mondo è rappresentato dall’industira petrolifera (con oltre l’80% dei consumi totali). Quest’ultima necessita infatti di grandi quantità di idrogeno per eliminare lo zolfo dai carburanti, per migliorare la qualità dei greggi pesanti, per produrre ammoniaca (necessaria per molti fertilizzanti), per produrre additivi per combustibili, ecc.

Funzionamento

Nel caso dell’autotrazione l’idrogeno va stoccato in un apposito serbatoio alla pressione di ben 700 atmosfere. Il serbatoio ha una capacità media di circa 5 chilogrammi i quali sono sufficienti per percorrere dai 300 ai 350 chilometri. Un simile serbatoio occupa uno spazio circa 10 volte superiore rispetto a quello occupato da un serbatoio di benzina in grado di garantire la medesima percorrenza.

L’idrogeno può essere immesso in un sistema a celle combustibili per ricavare energia elettrica atta a muovere un motore elettrico (soluzione ad alta efficienza) oppure può essere iniettato, quasi come un normale carburante, in un motore a combustione interna (soluzione a bassa efficienza).

Densità energetica

L’idrogeno è un gas con un basso contenuto energetico per volume. A temperatura ambiente e pressione atmosferica, l’energia di 1 kg di idrogeno è dispersa in ben 12 metri cubi di volume. Per farsi un’idea si tratta di un volume circa 10 volte superiore rispetto a quello occupato, nelle stesse condizioni, da 1 kg di gas naturale.

1 kg di idrogeno libera una quantità di energia 3 volte superiore a quella di 1 kg di benzina. Tradotto in termini più precisi significa che 1 kg di idrogeno sprigiona quasi 30.000 kcal/kg contro le 10.000 kcal/kg della benzina. Pertanto i confronti benzina - idrogeno vanno eseguiti sulla base di equivalenza energetica e non di peso, né tantomeno di volume.

Emissioni

Le emissioni non sono a carico del veicolo che ne fa uso, bensì del processo produttivo qualora esso utilizzi fonti fossili. L’utilizzo di fonti rinnovabili, come il solare, si spera permetterà in futuro di ottenere idrogeno in maniera completamente pulita anche se rimane il problema basilare che l’energia impiegata per produrre idrogeno è maggiore di quella che se ne ricava dall’uso dello stesso.

Metodi di produzione

Il metodo più economico per produrre idrogeno è attraverso lo “steam reforming” ossia da gas naturale e vapore acqueo. E’ opportuno sottolineare che tale reazione necessita di una elevata quantità di energia (essendo la reazione di tipo endotermico, ossia con assorbimento di calore), inoltre solo il 70% dell’idrogeno, che entra a far parte della reazione, viene convertito in idrogeno puro.

Produzione dell’idrogeno - Metodi standard

Produzione dell’idrogeno - Metodi alternativi: Fotosintesi

Paragrafo in aggiornamento.

Costi e trasporto

Il motivo per cui attualmente si estrae idrogeno da fonti fossili, risiede ovviamente nell’economicità dell’operazione. Nonostante tutto l’idrogeno risulta essere un prodotto assai costoso. L’Europa si è proposta di riuscire a scendere sotto ai 2,5 Euro/chilogrammo. Attualmente il prezzo di 1 kg di idrogeno equivale a quello di 2,75 kg di benzina (www.HFPeurope.org). La giustificazione di costi così elevati risiede principalmente negli altissimi costi di trasporto, stoccaggio e distribuzione. Operazioni complicate dalla natura dello stesso idrogeno. Il metodo più economico per produrre idrogeno è attraverso lo “steam reforming” ossia da gas naturale e vapore acqueo. Il trasporto dell’idrogeno prodotto può avvenire in due modi: allo stato gassoso ed allo stato liquido.

Trasporto allo stato gassoso. Il trasporto, tramite autocisterna o gasdotto, di quantità di idrogeno energeticamente significative richiede pressioni decisamente elevate: dalle 200 alle 300 atmosfere contro le 75 atmosfere necessarie al trasporto di gas naturale.

Trasporto allo stato liquido. Il trasporto dell’idrogeno allo stato liquido richiede il raffreddamento a temperature prossime allo zero termico assoluto. Ci aggiriamo attorno ai -253 °C contro i -161 °C per il metano. La liquefazione ha un costo mediamente analogo a quello dello steam reforming. Questo significa che solo la liquefazione dell’idrogeno costa tanto quanto produrlo.

Se a quanto appena considerato aggiungiamo trasporto in speciali autocarri criogenici e lo stoccaggio presso il punto di utilizzo, oltre, ovviamente, a tutti gli impianti necessari (rigassificazione e distribuzione), ecco giustificato l’elevato costo. Quando il prezzo del petrolio è di circa 60 dollari al barile, il costo di produzione e trasporto di 1 kg di idrogeno (ricavato da gas naturale) è compreso tra i 4 ed i 5 dollari. Nello stesso momento il costo di produzione e trasporto dei carburanti tradizionali si aggira intorno ai 55 centesimi di dollaro al chilogrammo. Tuttavia per essere imparziali è importantissimo sottolineare che 1 kg di idrogeno libera una quantità di energia 3 volte superiore a quella di 1 kg di benzina.

Il prezzo al chilowatt di un normale motore a combustione interna è di circa 30 dollari; un motore a fuel cells ha un costo al chilowatt compreso tra i 500 ed i 2500 dollari. Infine un serbatoio atto a contenere idrogeno su un autoveicolo ha un costo che oscilla tra i 3000 ed i 4000 dollari. In questo enorme divario di prezzo giocano un ruolo determinante le economie di scala: ad un aumento della scala di produzione corrisponde una diminuzione del costo medio unitario di produzione.

Tempi

Non vi sono tempi previsti per lo smaltimento di sostanze nocive dato che il prodotto di scarto della combustione dell’idrogeno con l’ossigeno è acqua. Diverso è il discorso della produzione. Se si utilizzano fonti fossili, i problemi legati all’inquinamento, all’effetto serra ed allo smaltimento della CO2, sono i medesimi che viviamo attualmente.

Riserve

L’idrogeno è l’atomo più presente nell’universo osservato.

Sicurezza

A differenza di quanto pensano molti, l’idrogeno è più sicuro dei combustibili comuni in quanto la sua fiamma si propaga immediatamente verso l’alto. A sfavore dell’idrogeno vi è però una fiamma praticamente invisibile.

Futuro del trasporto

Per quanto riguarda il futuro del trasporto, considerando che la pressurizzazione e il trasporto criogenico non possono essere considerati metodi soddisfacenti, la ricerca si sta orientando verso metodi di stoccaggio chimico o chimico-fisico. Si tratta di sistemi porosi che si comportano come spugne le quali sono in grado di trattenere grandi quantità di idrogeno in volumi contenuti. I requisiti fondamentali che tali sistemi devono soddisfare sono: il rilascio dell’idrogeno a richiesta (con semplicità); processo di realizzazione semplice ed a basso costo; essere sicuri, ossia atossici, non infiammabili né tantomeno esplosivi. A tal proposito da tempo la ricerca è orientata su idruri quali idruro di litio o idruro di berillio, tuttavia tali composti sono caustici o tossici. Composti come l’idruro di palladio sono più promettenti ma peccano per l’elevato costo.

Esiste però una nuova promettente direzione di ricerca basata sulle nanotecnologie, vi sono infatti dei materiali nanostrutturati a base di carbonio i quali hanno ottime proprietà di intrappolamento. Si tratta di vere e proprie spugne (nanotubi, nanofibre e fullereni attivati con Litio) da cui estrarre idrogeno in maniera sicura e senza perdite. Per meglio comprendere vedi gli articoli: Che cosa sono le Nanotecnologie? - Materiali nanostrutturati - Nanotubi di carbonio.

Futuro della produzione

Il futuro della produzione dell’idrogeno prevede l’adozione di diverse metodiche atte a sfruttare procedimenti sempre più semplici i quali utilizzino fonti rinnovabili per essere alimentati. Ne elenchiamo marginalmente alcuni ma scriveremo a breve opportuni articoli di approfondimento che verranno aggiunti alla sezione “Metodi di produzione” di questo articolo. Attualmente sono in fase di sviluppo tecniche di produzione dell’idrogeno che si ispirano al processo di fotosintesi (sfruttando opportuni catalizzatori), altre si basano sulla sintesi biologica, altre ancora sull’elettrolisi alimentata dal fotovoltaico, vi sono persino strade che puntano all’idrogeno passando per le biomasse o per i batteri che degradando dei composti sono in grado di offrire idrogeno come prodotto della reazione. Come è ovvio pensare, molto va investito sulla ricerca al fine di valutare le reali potenzialità dei metodi alternativi per produrre idrogeno.

Idrogeno come vettore energetico per l’autotrazione

E’ davvero importante rendere fruibile una tecnologia come questa perlomeno ad un numero limitato di mezzi abbondantemente inquinanti quali ad esempio i mezzi pesanti che circolano nei centri urbani (autobus, camion della nettezza urbana, corrieri, ecc.). Sicuramente, al momento, creare una grande rete di distribuzione risulta assai difficile, inoltre, conti alla mano, produrre elevati volumi di idrogeno richiede un’energia impressionante. Se si utilizzano fonti rinnovabili per la produzione dell’idrogeno, ad esempio l’energia solare, sicuramente non si producono elevati volumi di carburante ma ci si assicura di dare un contributo utile laddove possibile. Producendo idrogeno a “spese del sole” si ovvia al problema che vede la spesa di energia (vedi la nota di seguito) per produrre idrogeno maggiore dell’energia che se ne ricava poi dalla combustione o dall’utilizzo in celle a combustibile. Sarebbe un po’ come se i nostri acquisti li pagasse qualcun altro per noi: la spesa rimarrebbe ma non graverebbe sul nostro portafoglio (brutto da dire, più attraente invece se si pensa al fatto che per il sole non è un gran problema offrirci energia).

Note sulla resa

Da un punto di vista termodinamico il ciclo di produzione e successivo utilizzo dell’idrogeno è inefficiente. La sua produzione richiede un’energia maggiore di quella che poi renderà attraverso il suo utilizzo in motori a combustione interna o in motori a celle combustibili. Questo perchè la molecola d’acqua è più stabile e quindi meno energetica dell’ossigeno e dell’idrogeno separati. I processi naturali, infatti, portano un sistema da un’energia più alta ad una più bassa tramite una trasformazione. La produzione di idrogeno attraverso l’elettrolisi dell’acqua, e il successivo utilizzo dell’idrogeno nella reazione inversa con l’ossigeno nelle pile a combustibile, porta un “guadagno netto energetico negativo” cioè con perdite legate alle dissipazioni in calore. Non esiste infatti alcuna macchina con rendimento pari al 100%.

Guardando ancora più avanti

Riesco ad immaginare come sarebbero le strade “inquinate dall’acqua”. Paradossalmente anche le soluzioni eco-compatibili producono effetti difficili da tenere sotto controllo. Immaginando una città ricca di traffico costituito da mezzi alimentati ad idrogeno, penso all’effetto che ciò avrebbe sulle strade. Inizierebbero ad essere sempre più umide e scivolose con qualche effetto indesiderato specie per chi viaggia sulle due ruote. Il sole farebbe evaporare costantemente grandi quantità di acqua dal suolo con aumento dell’umidità nei centri abitati e relativi problemi per le articolazioni. Sicuramente non sarebbe un problema per un piccolo paesino ma che effetto avrebbe su una metropoli di 5 milioni di abitanti? Probabilmente sarebbe opportuno che l’acqua di scarico non venisse emessa all’esterno ma, piuttosto, raccolta in un contenitore che possa essere svuotato ogni “tot” chilometri in un comunissimo scarico domestico. Si potrebbe persino accumulare l’acqua di scarico in un recipiente utile al lavaggio del veicolo stesso.

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Nell’imagine il serbatoio della BMW Hydrogen7.
Image’s copyright: automobilesreview.com

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