Auto a idrogeno: come funzionano?

14 luglio 2009
Auto a idrogeno: come funzionano?


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L’idrogeno è uno dei combustibili maggiormente disponibili: rappresenta da solo il 75% della materia nell’universo e si trova abbondante nelle stelle e nei giganteschi pianeti gassosi.

Sulla Terra è molto raro allo stato naturale (grazie alla sua bassa massa sfugge all’attrazione gravitazionale), comunque si trova nell’acqua dei fiumi e degli oceani. Per estrarlo è necessario ricorrere all’elettrolisi dell’acqua, un processo mediante il quale la molecola dell’acqua H2O si divide in due producendo in tal modo molecole di ossigeno (O2) da un lato e molecole di idrogeno (H2) dall’altro. L’elettrolisi sfrutta l’energia elettrica, che può essere generata in vari modi, tutti compatibili con l’ambiente (energia eolica, solare, idroelettrica, ecc.).

Inoltre, l’idrogeno può essere estratto anche da materiale organico fossile (carbone, petrolio, gas naturale) ed è un sottoprodotto di vari processi industriali (chimici, saldatura, ecc.).

La combustione dell’idrogeno avviene con una semplicissima reazione chimica: due molecole di H2 si combinano con una molecola di O2 per formare due molecole di H2O sotto forma di vapore, rilasciando allo stesso tempo una grande quantità di energia. Questa reazione produce una quantità estremamente bassa di ossidi di azoto NOx, senza il benché minimo rilascio di CO2 (un gas serra).

L’idrogeno è notevolmente più combustibile della normale benzina, è sufficiente pochissima energia affinché si verifichi la combustione; inoltre il fronte di fiamma si propaga molto più velocemente (circa 265 cm/sec in condizioni stechiometriche rispetto ai 40 cm/sec per la benzina). In ogni caso, a parità di volume, l’idrogeno è caratterizzato da minore energia. Si tratta di un combustibile largamente utilizzato nei razzi, compreso lo Space Shuttle, e può essere usato come combustibile per un motore a combustione interna come quello di RX-8 Hydrogen RE.

A differenza dei combustibili fossili, l’idrogeno rientra in un ciclo perfettamente equilibrato. L’idrogeno estratto dall’acqua per elettrolisi viene liberato, dopo l’uso, sotto forma di vapore che ritorna nel ciclo naturale dell’acqua, mentre il CO2 rilasciato dalla combustione dei combustibili fossili supera la quantità che è generalmente assorbita dalle piante.

La combustione dell’idrogeno non è il solo modo per ottenere l’energia necessaria per azionare un veicolo: l’idrogeno può anche alimentare una cella a combustibile all’interno della quale reagisce con l’ossigeno per produrre corrente elettrica. In ogni caso, malgrado i vantaggi che caratterizzano la cella a combustibile (alta erogazione di energia, nessun rilascio di ossido d’azoto), la sua fabbricazione è complessa e costosa ed il suo utilizzo richiede una progettazione completamente diversa del gruppo motopropulsore e del suo inserimento nel veicolo. E’ intuibile, quindi, come questa tecnologia non sia ancora sufficientemente matura per poter essere utilizzata nel quotidiano.

Il motore rotativo: idealmente adatto all’alimentazione a idrogeno
La decisione di Mazda di optare per il motore rotativo, piuttosto che per un motore alternativo, come base della progettazione del proprio veicolo a idrogeno, non è attribuibile esclusivamente all’esperienza unica maturata da questa casa automobilistica rispetto a questa tecnologia. Il motore rotativo si adatta particolarmente bene ai requisiti specifici dell’alimentazione a idrogeno.

Come abbiamo visto, l’idrogeno è estremamente infiammabile e ciò può provocare problemi nella camera di combustione di un motore a pistoni (combustione anomala). In un motore tradizionale, la miscela aria-carburante è iniettata direttamente in una camera di combustione ad alta temperatura sigillata da valvole di scarico molto calde. Queste sono condizioni tutt’altro che favorevoli che rendono l’idrogeno molto meno interessante per l’alimentazione di un classico motore a pistoni.

Al contrario, il motore rotativo prevede camere di aspirazione, di combustione e di scarico separate. Ciò significa che l’idrogeno viene iniettato ad una temperatura più bassa ed entra in contatto con le più alte temperature della camera di combustione solo all’ultimo momento.

L’altra caratteristica fondamentale dell’idrogeno è che, a parità di volumi, all’atto della combustione produce meno energia in quanto ha una densità minore rispetto a quella della benzina. La bassa densità dell’idrogeno – iniettato allo stato gassoso – significa che, alla quantità necessaria per la combustione, occupa il 29,5% del volume della camera di combustione rispetto all’1,7% della benzina. Ciò implica una minore quantità di aria iniettata, con la conseguenza di una combustione incompleta ed una potenza ridotta.

Quindi, l’approccio migliore è optare per l’iniezione diretta nella camera di combustione al fine di contrastare questo fenomeno. Sta di fatto che è più facile collocare un ulteriore iniettore nella camera di aspirazione di un motore rotativo che al lato della stretta testa cilindri di un motore a pistoni.

Infine, il motore rotativo riesce a combinare la miscela aria-idrogeno meglio di un motore tradizionale grazie al suo ciclo più lungo. Il risultato è una miscela più uniforme che, conseguentemente, porta ad una migliore combustione.



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