Emanuele Ferraris di Celle: aprile 2010

Questo è un articolo che ho scritto qualche mese fa, pubblicato sulla rivista nautica con cui collaboro, e presente anche sul web. E' il resoconto della prova che ho fatto della prima barca a mondo con propulsore elettrico alimentato a fuel cell di idrogeno.
Lo ritengo uno step importante nella direzione di una nautica ecologica. Finora questi termini sono stati quasi contraddittori, mentre sono intrinsecamente, quasi etimologicamente legati.
Vorrei sapere il vostro parere: vi sembra che il settore nautico sia attento all'ecologia? Cosa dovrebbe fare concretamente? Chi ritenete sia più sensibile all'argomento? Chi di meno? Commentate, commentate...

Abbiamo fatto un piccolo passo nel futuro. Scendendo dal pontile del castello medievale di Schloss Ort, placidamente inserito nel lago Traunsee presso Gmunden, in Austria, circondati dalle montagne innevate…eppure ci siamo sentiti nel futuro.
Siamo a bordo di un motoscafo Frauscher, 6 metri di lunghezza, 5 persone a bordo. Il silenzio è totale, ma ci stiamo muovendo. Alle nostre spalle, un serbatoio a idrogeno alimenta una cella a combustibile e questa, a sua volta, trasmette la potenza al motore elettrico che muove l’elica.
Da tanto si parla dell’idrogeno come possibile carburante del futuro, nel campo dell’automobile qualcuno ha già provato ad applicarlo (BMW, Honda, Renault, Mazda,… con metodi diversi), ma nella nautica questa è la prima installazione concreta e funzionante.
I problemi tecnici sono numerosi (vedi scheda), ma il progetto austriaco è di ampia portata e procede da molti anni. Sono coinvolte alcune importanti aziende: Fronius, leader nella produzione di energia da fonti rinnovabili e nello sviluppo di fuel-cell; Bitter, attiva da decenni in tutto il mondo nella componentistica hi-tech per l’automobile, che qui ha sviluppato i serbatoi-cartuccia di idrogeno; l’Università di Graz, che porta avanti la ricerca nel campo già da diverso tempo, grazie anche ad un lungimirante finanziamento pubblico; e naturalmente Frauscher, che ha implementato il progetto su un proprio mezzo, nello specifico il 600 Riviera.
Frauscher opera già nel campo della propulsione alternativa, già da tempo infatti costruisce e commercializza ogni anno circa 60 imbarcazioni con motore elettrico alimentato da batterie plug-in, dai 5,60 ai 7,50 metri . L’Austria è molto sensibile al problema dell’inquinamento, e questi mezzi sono usati sui laghi come taxi e navette per gli hotel, o affittati per charter giornaliero.
Nel nostro caso però si tratta di un motore alimentato da bordo, non caricato dalla presa di corrente a terra. L’idrogeno si combina con l’ossigeno all’interno della cella a combustibile generando elettricità (che alimenta il motore) e vapore acqueo (che costituisce l’unico, innocuo elemento rilasciato nell’ambiente).

E l’elica gira, la barca si muove come un qualunque natante, a bordo è anche accesa l’autoradio MP3. Ma il tutto avviene in silenzio, rotto solo dal leggerissimo ronzio del motore elettrico e della pompa di raffreddamento dello stesso.
Naturalmente le differenze con una barca a motore a combustione interna sono ancora molte: in particolare l’autonomia, poiché una bombola di idrogeno di dimensioni “normali”, cioè circa 80cm per 30 di diametro come questa, permette spostamenti di meno di 50 miglia; e le prestazioni, in quanto per avere la suddetta autonomia il motore elettrico non va oltre i 4kW (5,4cv) per una velocità di 4-5 nodi. Per questi motivi fra l’altro il Frauscher 600 Riviera HP è destinato solo all’utilizzo sui laghi. Nell’idea del Cantiere, il cliente tipo sarebbe un hotel o una società di noleggio / charter che acquistasse una flotta di 10 imbarcazioni.
C’è poi un problema logistico, ovvero implementare una rete di distribuzione che offra la possibilità di approvvigionamento di idrogeno. Su questo aspetto il progetto propone due soluzioni di base per i potenziali clienti: acquistare la propria mini-centrale di elettrolisi a pannelli fotovoltaici (vedere scheda tecnica per il metodo di produzione), ad un costo di oltre 800.000 euro compresa ingegnerizzazione del progetto, oppure affidarsi ad un servizio di distribuzione delle cartucce ricaricate per circa 25.000 euro all’anno, più 210.000 per l’engineering e l’acquisto delle cartucce/serbatoio. Se si aggiunge il costo dell’imbarcazione, che è stimato in 148.300 euro contro i 48.600 della versione con motore a benzina Volvo 135cv, si vede come anche l’aspetto economico sia ancora un ostacolo. Per il momento nei calcoli dell’Azienda non è prevista la possibilità di raggiungere un breakeven point rispetto all’acquisto e gestione di barche con motore tradizionale.

Ma questo gruppo di Aziende, guidate da ingegneri la cui passione e competenza traspare da ogni parola, ha fatto un enorme passo in avanti verso la mobilità a emissioni zero con un’impresa che per la nautica è senz’altro pionieristica. Quello che serve ora sono ulteriori sviluppi nel campo dell’estrazione di idrogeno (vedi ancora approfondimento tecnico), e politiche sensibili da parte dei governi che permettano di aumentare la produzione e la distribuzione abbattendo i costi fissi e i problemi logistici. Solo così potremo navigare ad emissioni zero, senza modificare le nostre abitudini di diportisti.
La strada è aperta.
(nella foto Stefan Frauscher, AD del Cantiere, a bordo del 600 Riviera Hybrid)

TECNICAMENTE

L’idrogeno è l’elemento maggiormente presente sul nostro pianeta. Il problema è che non si trova puro, ma solo all’interno di altri elementi, pertanto bisogna isolarlo. Propriamente sarebbe un vettore energetico e non una fonte, ma per semplicità lo tratteremo come se fosse la seconda.
Il processo di estrazione può essere fatto in vari modi: vediamo di semplificare partendo da ipotetiche 100 unità di combustibile (metano o petrolio), che consideriamo come la nostra fonte di energia di partenza.
Per avere l’idrogeno il metodo più semplice ed economico è ricavarlo dal gas naturale, principalmente metano, con un processo detto “steam reforming”. Ma si vede subito come la cosa sia contraddittoria: si ricava combustibile da un altro combustibile consumando energia nel processo. Nel nostro caso, abbiamo usato 100 unità di metano per ottenere 80 unità di idrogeno. Di solito tale processo è autoalimentato, cioè si usa il metano stesso per la produzione. Seppure contraddittorio e a bilancio negativo, è un metodo relativamente economico e poco inquinante.
Un altro modo è ricavarlo dall’acqua (H2O) per elettrolisi. Si parte dalle nostre 100 unità energetiche di petrolio, che vanno bruciate in una centrale termoelettrica per ottenere corrente con una dispersione del 40%. Abbiamo quindi 60 unità di energia elettrica. Queste si usano per scindere l’acqua in idrogeno ed ossigeno tramite elettrolisi, con un rendimento del 95% circa. Abbiamo quindi ottenuto 60 x 95% = 57 unità di idrogeno.
In entrambi i casi, bisogna poi considerare l’ulteriore energia che si perde negli step successivi: lo stoccaggio dell’idrogeno gassoso ad alte pressioni disperde un altro 20% (rendimento 80%), mentre la generazione di energia elettrica all’interno della fuel cell lascia per strada ancora un 55% (rendimento 45%). C’è infine il motore elettrico alimentato da tale energia, che fortunatamente ha un rendimento ottimo, di circa il 90% (ecco perché scalda poco…).
Abbiamo quindi due casi: nel primo da 100 unità di petrolio abbiamo ricavato 80 x 80% x 45% x 90% = 26 unità di energia, nel secondo addirittura 19.
Si pensi che un motore a benzina ha un rendimento del 28% e uno a gasolio del 33% circa.
In teoria nel complesso la produzione per elettrolisi è ancora più sfavorevole di quella per steam reforming (26 a 19), inoltre è ancora molto costosa e copre solo il 3% del fabbisogno mondiale. Ma vediamo perché è preferibile.
Il problema principale è: che energia usare per ottenere l’idrogeno? Nel primo caso siamo partiti dal metano, e nel secondo dal petrolio: entrambi combustibili, e questo è il motivo per cui l’intero processo è contraddittorio. Ma il grande vantaggio dell’elettrolisi è che necessita di corrente elettrica. E se invece di ricavarla da fonti tradizionali (centrali idroelettriche o a combustibili fossili), sottraendola quindi ad altri preziosi scopi, la si ricava da fonti rinnovabili…beh allora tutto il processo assume significato.
Centrali di raccolta di energia geotermica, eolica o fotovoltaica utilizzano fonti (calore della terra, sole, vento) che non vengono tolte ad altri utilizzi, pertanto non c’è più bisogno di calcolare il bilancio energetico complessivo dell’intero processo. Semplicemente, si parte da 100 unità di energia elettrica creata dal vento o simile e si otterranno 100 x 95%(elettrolisi) x 80%(stoccaggio) x 45%(fuel cell) x 90%(motore elettrico) = 31 unità di energia propulsiva. Che però sono completamente gratis.

Questo è il caso del progetto di Fronius – Frauscher – Bitter: l’idrogeno è ricavato per elettrolisi dall’acqua, in impianti alimentati da energia fotovoltaica. L’elemento isolato viene poi stoccato in bombole che ne contengono 26 litri a 350 bar (che diventano meno di 10 bar all’ingresso nella fuel cell) e pesano circa 28 kg con dimensioni di 766mm di altezza per 330 di diametro. Terminato l’idrogeno, le batterie supplementari (tradizionali) lasciano energia sufficiente per alcune miglia (la presenza di tali batterie giustifica la denominazione “Hybrid” adottata dal Cantiere). Una volta a terra, si può ricaricare la bombola in meno di 5 minuti, oppure sostituirla con una piena, anche da soli grazie alla slitta sollevabile alloggiata nel vano motore.