I motori diesel possono funzionare a idrogeno

GAS NEI MOTORI A GASOLIO? - I motori diesel non sembrano avere un grande apprezzamento di questi tempi e molti modelli li hanno abbandonati: le Dacia Sandero e Jogger, le Fiat 500 e Panda e le Ford Fiesta, Mondeo, S-Max, Ecosport e Puma, per esempio, non li hanno più nei listini italiani. Le future norme Euro 7 sono infatti complicate da rispettare per i piccoli motori diesel e non è un caso che il nuovo diesel Euro 7 di Stellantis sarà di taglia medio-grande dato che equipaggerà anche i commerciali leggeri (qui la notizia). La canadese Westport Fuel Systems intende ripulire motori diesel ancor più grossi - quelli dei veicoli pesanti - e per riuscirci mette in campo l’idrogeno. La cosa può sembrare surreale, ma l’azienda sfodera argomentazioni che appaiono credibili.

IL GASOLIO PERDE LO SCETTRO - Westport ha già esperienza di alimentazioni miste: il suo sistema LNG HPDI (nello schema qui sopra) impiega metano liquido (per il quale è previsto uno speciale serbatoio criogenico dato che il gas deve rimanere a una temperatura di circa -160° C) e un iniettore a doppio ago concentrico. Il suo compito è iniettare prima una piccola quantità di gasolio e poi una quantità maggiore di LNG (Liquid Natural Gas) ad alta pressione. Quest’ultimo viene iniettato alla fine della fase di compressione, quando il gasolio si è già ‘acceso’: in questo modo l’LNG esplode rapidamente dando una combustione vigorosa e pulita. Le emissioni di CO2 crollano e il motore non subisce modifiche pesanti: l’iniettore unico non richiede infatti modifiche alla testata. Il metano ha però purtroppo perduto, fra l’impennata della domanda e la guerra in Ucraina, buona parte della sue doti di sicurezza ed economicità al punto che anch’esso è stato oggetto del taglio delle accise (qui la notizia). Ecco quindi l’evoluzione del sistema che diventa H2 HPDI, con il prototipo del camion a idrogeno che è stato portato al salone IAA Transportation 2022 a Hannover.

PROMESSE INTERESSANTI - L’azienda non ha diramato molte informazioni tecniche sulla sua tecnologia H2 HPDI all’idrogeno, ma ha fornito cifre interessanti. Secondo Westport le prestazioni avrebbero un incremento significativo: si parla di un aumento di potenza fino al 20%, mentre la coppia salirebbe del 18% rispetto all’alimentazione a gasolio. Le emissioni di CO2 sono definite “prossime allo zero” e, come nel caso dell’alimentazione a gasolio-metano LNG HPDI, viene mantenuta l'architettura del motore diesel esistente (questo fatto fa pensare anche anche in questo caso si usi l’iniettore bi-carburante) così come gli stabilimenti produttivi dei motori stessi. Le basse emissioni native permetterebbero inoltre di soddisfare requisiti anche stringenti per le emissioni CO2 con dispositivi di trattamento allo scarico semplificati. Un altro vantaggio promesso è la possibilità di usare idrogeno non puro al 100%, a differenza di quel che è richiesto dalle fuel cell.

LA PULIZIA? DIPENDE DAL CARBURANTE - Abbiamo nominato le fuel cell e notiamo come Westport abbia pubblicato dei grafici nei quali paragona l’abbattimento delle emissioni di CO2 (rispetto a quelle dell’alimentazione a gasolio) delle sue soluzioni a LNG e idrogeno con quelle delle celle a combustibile confrontando le emissioni sia TTW - Tank To Wheel sia WTW - Well To Wheel. Le prime riguardano l’anidride carbonica emessa “all’interno del veicolo”, partendo cioè dal serbatoio fino alle ruote mentre le seconde prendono in esame anche le emissioni connesse al reperimento del carburante e alla produzione del veicolo. Il confronto WTW con la soluzione a metano liquido è double face e risente del processo produttivo dei carburanti: se il metano impiegato è 100% da biomasse (100% LBM nella figura) allora il vincitore è il sistema LNG HPDI perché il biometano ha emissioni nette nulle (si considera che la CO2 insita nelle biomasse è stata catturata dall’atmosfera e lì ritorna dopo la combustione). Diverso è il discorso delle emissioni dal serbatoio alle ruote TTW: la soluzione a metano liquido riduce molto meno la CO2 allo scarico perché sia il gasolio sia il metano (è sempre CH4 anche se viene da biomasse) contengono carbonio che si trasforma in anidride carbonica.

LA SEMPLICITÀ CONTA - Il sistema H2 HPDI si prende quindi una bella rivincita nelle emissioni TTW: l’idrogeno bruciando produce soltanto vapore acqueo e il gasolio iniettato per la preaccensione sembra essere veramente poco, dato che le emissioni allo scarico sono ridotte del 97%. Ritornando alla riduzione delle emissioni WTW si nota che, come accade con il sistema a LNG, esse dipendono molto dal ‘come’ si produce il carburante: usando idrogeno Blu (prodotto dal metano, ma neutralizzando il carbonio emesso dal processo) le emissioni si riducono del 44%. Usando idrogeno verde - creato dall’elettrolisi dell’acqua con elettricità da fonti rinnovabili - il dato migliora moltissimo con una riduzione delle emissioni che, con il 71%, è persino migliore di quanto riescano a fare i veicoli con fuel cell. Il paragone è molto interessante perché l’idrogeno viene usato in entrambi i sistemi e se nei veicoli con celle a combustibile la riduzione delle emissioni TTW è del 100%, la produzione costosa e avida di energia delle fuel cell porta il dato WTW a valori paragonabili a quelli ottenuti dal sistema H2 HPDI.

CONSERVIAMO UNA TECNOLOGIA COLLAUDATA - È su questo che punta Westport Fuel Systems: emissioni TTW ridotte del 97% mentre quelle WTW sono paragonabili ai valori esibiti dai veicoli a fuel cell, il tutto con limitate modifiche ai veicoli già esistenti. Questi risultati potrebbero interessare molto ai gestori delle flotte perché il rifornimento dell’idrogeno è piuttosto veloce e se i camion (che non richiedono modifiche radicali) sono molti potrebbe essere conveniente installare un distributore di idrogeno nel piazzale. L’azienda sostiene che gli iniettori, prodotti in collaborazione con BorgWarner, potrebbero evolversi per funzionare sia a gasolio/metano sia a gasolio/idrogeno e non manca la prospettiva di riuscire a funzionare senza bisogno del gasolio, usato nel sistema H2 HPDI in pratica soltanto per innescare la combustione. Rimangono gli interrogativi legati agli ossidi d’azoto, prodotti dalla combinazione dell’azoto presente nell’aria con l’ossigeno e che ci sono anche nel prototipo da corsa Toyota (qui la notizia).

LE SPECIFICITÀ DEL TRASPORTO - Non è poi un caso che Westport si concentri sui veicoli pesanti, per i quali non occorrerebbe una rete di distribuzione capillare per l’idrogeno, complicata da creare e mantenere . Dal punto di vista energetico il rendimento di un sistema che genera idrogeno verde con l’elettrolisi per usarlo in un motore diesel è molto più basso rispetto all’usare la stessa quantità di elettricità per alimentare veicoli elettrici. Vista la specificità del settore del trasporto su strada, però, la soluzione Westport ha una sua validità anche perché consente di continuare a valorizzare gli ingenti investimenti fatti per i veicoli convenzionali e il costo totale di possesso (TCO) è molto più basso rispetto a quello di un camion a fuel cell. Ricordiamo inoltre che la produzione di idrogeno verde non solo è a zero CO2 ma è anche meno geopoliticamente sensibile rispetto a quello blu fatto a partire dal metano.