di FRANCESCO PICCIONI
Motori a idrogeno
Qualsiasi trasformazione reale (dunque irreversibile) di
energia in un'altra forma richiede non solo la stessa quantità
di energia (il processo sarebbe in quel caso un «vettore» di energia)
ma maggiore, in quanto nel processo di trasformazione parte dell'energia
iniziale viene degradata in calore, ossia in energia entropizzata.
Si può ottenere idrogeno per reazioni di ossido-riduzione (per esempio
riducendo l'idrogeno presente in una molecola di idrocarburo e ossidando
contemporaneamente il carbonio presente nella stessa molecola) oppure
per elettrolisi. Perciò: 1) nel primo caso (processo di
ossido-riduzione), si richiede prima di tutto la produzione di CO2: del
vapore acqueo ad alta temperatura, per esempio - ma si può fare la
stessa operazione con altri composti con ossigeno - fornisce l'ossigeno
che ossida gli atomi di carbonio, e nel rapporto stechiometrico di 2:1
si produce una molecola di CO2 per ogni due molecole di H2 prodotte.
Ovviamente questo è un grave «inconveniente»: non solo, come vedremo,
si consuma nel processo più energia di quella che si ottiene, ma si
produce comunque CO2, e proprio nello stesso rapporto stechiometrico di
quando si fa la combustione nel motore tradizionale o nella turbina. Il
rapporto di energia in/energia in idrogeno out è
nell'ordine di 1.3, dovuto al fatto che a) l'acqua - o il composto
ossigenato o ossidante usato - deve essere portata ad alta temperatura e
b) la reazione è esotermica, in quanto la buca di potenziale nel
legame tra gli atomi di C ed O è più profonda di quella relativa al
legame tra C ed H. Il calore fornito all'acqua e il calore liberato
nell'ossido-riduzione sono la differenza di energia persa.
Insomma, il nostro «vettore» di energia è come un secchio
bucherellato: il suo contenuto viene, sì, «trasportato», ma se ne
perde una frazione 0.3/1.3 per strada. 2) Nel secondo caso (elettrolisi)
la soluzione si riscalda (effetto joule) e l'insieme di perdite
dissipative nel circuito complessivo di realizzazione sono tali che - di
nuovo - serve circa 1.3 joule di energia elettrica per ottenere una
quantità di idrogeno che - una volta bruciata - ci fornisce 1 joule.
Questi due esempi non sono altro che l'applicazione di un principio
molto generale - ed ineliminabile - che è una conseguenza del secondo
Principio della Termodinamica, che scatta in ogni
trasformazione reale, e che risulta entropicamente irreversibile.
Motori ad aria compressa
L'energia che aziona la pompa del compressore viene parzialmente
sprecata in calore disperso: 1) dal sistema di raffreddamento della
pompa e di tutto il compressore, pistoni, bielle, etc, che altrimenti
gripperebbe, 2) dall'indotto del motore elettrico (massimo rendimento)
della pompa e: 3) dalle pareti stesse del serbatoio di immagazzinamento
e dal tubo di apporto. Dunque, di nuovo, l'energia fornita al motore
della pompa diviso per l'energia ottenuta è un numero maggiore di uno,
e ben più alto del rapporto 1.3 dei casi visti sopra (dell'ordine di
2). Perchè allora si dice che l'auto ad aria compressa «consuma meno»
che bruciando il carburante in un motore a combustione interna? Perchè
la produzione di energia elettrica a monte della trazione, ossia nelle
centrali a turbina - in cui vengono fatti girare una turbina e il
relativo generatore bruciando lì il combustibile fossile - è molto più
efficiente che in un motore a combustione interna un fattore 3 circa,
che diviso per 2 (il fattore che si perde nella compressione) fa appunto
1.5 circa, un 50% circa di guadagno. Ma allora tanto vale installare
sull'auto un normale motore elettrico (con rendimenti prossimi al 95%,
senza usi di speciali tecnologie) e si mantiene tutto il fattore 3 (fino
a 3.5) ottenuto bruciando gas per generare corrente elettrica nelle
centrali turbogas invece che nei meno efficienti motori a combustione
interna.
Motori a trazione ibrida
È un sistema combinato in cui la sorgente di energia è comunque
l'idrocarburo che - per combustione interna - genera energia cinetica
(fa girare l'albero motore) e trasforma questa in energia elettrica,
azionando un generatore. Il generatore più il motore elettrico
sprecheranno al massimo un 7-8%; ma il motore a cilindri che aziona il
tutto ha rendimenti che vanno dal 15% al 20%, dissipando perciò
dall'80% all'85% dell'energia in entrata. (riduzione da risposte
scritte del prof. Antonio Di Fazio)
