Zero Regio è un progetto europeo sviluppato per studiare la sostenibilità di un sistema completo di mobilità non inquinante basato sull'idrogeno come combustibile alternativo. Al progetto hanno preso parte 16 partner tra enti pubblici, industrie, università e centri di ricerca di quattro paesi ed è stato cofinanziato dalla Commissione Europea. Il progetto è durato cinque anni, durante i quali sono stati progettati, realizzati e utilizzati non solo le macchine idrogeno, ma anche i distributori e gli impianti per la produzione dell'idrogeno. I primi due anni sono serviti per lo sviluppo delle tecnologie e delle infrastrutture e i successivi tre per la sperimentazione pratica e la divulgazione. La sperimentazione è stata realizzata in due città europee, Francoforte in Germania e Mantova in Italia, sviluppando due diversi modelli di automobili, diverse tecnologie di produzione e diverse modalità di distribuzione dell'idrogeno, ma con gli stessi obiettivi, lo sviluppo di un sistema di mobilità non inquinante e lo studio della sua sostenibilità economica e sociale.
Per l'Italia il centro ricerche Fiat ha sviluppato tre prototipi avanzati di nuova panda idrogeno che Regio Lombardia ha acquistato e dato incomodato al comune di Mantova responsabile dell'organizzazione logistica della sperimentazione. Le automobili utilizzate nel progetto Zero Regio sono quanto di più avanzato la tecnologia possa offrire nel campo del trasporto a minimo impatto ambientale. Non si tratta infatti di macchine dotate di un classico motore a combustione interna, ma di veicoli elettrici alimentati da celle a combustibile.
Le celle a combustibile o fuel cell sono reattori elettrochimici nei quali avviene una reazione tra idrogeno e ossigeno in maniera controllata e in assenza di fiamma, che genera energia elettrica e, come unico prodotto di scarto, acqua calda. La prima scommessa vinta del progetto è stata quindi quella di realizzare una macchina apparentemente uguale ad un'automobile classica per dimensioni, facilità di guida e prestazioni, ma che nasconde in realtà una tecnologia completamente nuova capace di avere un impatto inquinante pari a zero. Ad oggi le tre Panda a idrogeno del progetto Zero Regio sono le uniche tre autovetture a fuel cell omologate in Italia e sono le più piccole vetture al mondo con un sistema di trazione a fuel cell puro. Ogni Panda a idrogeno monta un sistema di fuel cell capace di erogare 70 kW di potenza massima, ha un motore a induzione elettrica da 50 kW e un peso complessivo di 1400 kg. La velocità massima raggiungibile è pari a 130 km orari con un'accelerazione da 0 a 50 in meno di 5 secondi.
Il serbatoio, che è costituito da una bombola da 110 litri in fibra di carbonio, può contenere fino a 2,4 kg di idrogeno ad una pressione massima di 350 bar, garantendo così un'autonomia di almeno 240 km. Analizziamo nel dettaglio il funzionamento di una macchina Fuel Cell. Il cuore della macchina è il pacco di celle a combustibile chiamato stack.
Lo stack è collegato a quattro circuiti principali. Il circuito di alimentazione dell'idrogeno, comprensivo di un ricircolo per il recupero del gas in eccesso. Il circuito elettrico che trasferisce l'energia elettrica prodotta nelle celle a combustibile, al motore e ai sistemi ausiliari. Il circuito di alimentazione dell'aria e quindi dell'ossigeno.
E il circuito di espulsione dell'acqua formatasi nelle celle e dell'aria in eccesso. Quando si accende la macchina, un compressore spinge l'aria prima in un filtro per eliminare le polveri e poi nelle celle. Contemporaneamente si apre il circuito dell'idrogeno e quando entrambi i gas raggiungono la fuel cell, si inizia a produrre energia elettrica che alimenta il motore. L'acqua che si forma viene allontanata insieme all'aria in eccesso ed espulsa dalla macchina.
L'idrogeno in eccesso invece viene ricircolato grazie ad un secondo compressore e re-immesso nella cella. Questo processo si svolge senza interruzione fino a che permane una sufficiente quantità di idrogeno e di ossigeno. Esistono diversi tipi di celle a combustibile. Quelli montati sulle autovetture in genere sono celle ad elettrolita polimerico. Queste celle sono composte da due elettrodi separati da un elettrolita.
Gli elettrodi hanno una struttura porosa a base di carbone su cui è disperso un catalizzatore costituito da leghe di platino. L'elettrolita invece è una membrana ad alta conducibilità protonica, capace cioè di far passare i protoni ma non gli elettroni. Negli elettrodi avvengono due reazioni separate, ma che grazie alla migrazione di protoni ed elettroni combinano idrogeno e ossigeno in assenza di fiamma, ottenendo corrente elettrica continua, acqua e poco calore rispetto ad una normale combustione. I due gas vengono messi a contatto ciascuno con uno dei due elettrodi.
L'idrogeno si scinde in protoni ed elettroni grazie all'azione del catalizzatore. I protoni passano attraverso la membrana polimerica. Gli elettroni migrano verso il catodo generando una corrente elettrica. Nel catodo ossigeno ed elettroni reagiscono prima tra loro generando due ioni di ossigeno negativi e poi con i protoni formando così una molecola d'acqua.
Ogni singola cella produce un voltaggio di circa 0,7 volt. Collegando in serie molte celle, cioè formando il cosiddetto stack, è quindi possibile avere a disposizione una corrente sufficiente per alimentare sia il motore che i servizi ausiliari di un veicolo elettrico. Sulle panda idrogeno sono montati tre stack per un totale di 384 celle.
Tutto il veicolo è gestito da un sistema informatico che controlla costantemente i principali parametri di funzionamento tra cui La pressione dell'idrogeno nel serbatoio, le temperature, la potenza elettrica disponibile e l'energia consumata, il funzionamento di ciascuna delle 384 celle a combustibile. La disposizione di tutti gli elementi sulla macchina è studiata per garantire la massima disponibilità di spazio per i passeggeri e l'ottimale distribuzione dei pesi. La bombola di idrogeno è nella parte posteriore sotto il vano bagagli.
I tre stack di celle a combustibile, voluminosi e pesanti, sono posizionati sotto l'abitacolo. Il motore elettrico, il compressore, il filtro dell'aria e i serbatoi dei sistemi di raffreddamento sono posizionati davanti nel vano motore sotto il cofano. Ma un sistema di mobilità oltre alle vetture deve poter garantire punti di rifornimento e disponibilità di combustibile. A Mantova è stata quindi costruita una stazione di rifornimento multi-energy in cui, oltre ai combustibili tradizionali, è presente anche un punto di rifornimento per l'idrogeno. Data la difficoltà della distribuzione è stato realizzato nei pressi del distributore un mini impianto sperimentale per la produzione di idrogeno a partire da metano.
Trattandosi di un impianto sperimentale tuttavia, per garantire la continua disponibilità di combustibile è stata predisposta anche la possibilità di collegare all'impianto speciali pacchi di bomboli di idrogeno provenienti da uno stabilimento di gas tecnici situato nelle immediate vicinanze. Il distributore di Manto va alimentato per tutta la sperimentazione le tre macchine del progetto, permettendo contemporaneamente di sperimentare gli impianti per la produzione e la distribuzione capillare dell'idrogeno. Il rifornimento completo avviene in totale sicurezza in meno di 5 minuti, garantendo alle automobili elettriche a fuel cell una versatilità di utilizzo decisamente superiore rispetto alle macchine elettriche alimentate da batterie, che richiedono tempi di ricarica molto maggiori e offrono una minore autonomia. Il progetto Zero Regio è terminato nel maggio 2010, dopo 67 mesi dal suo inizio. Due stazioni di rifornimento realizzate, otto auto a fuel cell progettate, costruite e utilizzate da 30 piloti abilitati.
95.000 km percorsi in 2.670 ore, più di 5.000 kg di idrogeno utilizzato e 15.000 kg di emissioni di CO2 risparmiate. La sperimentazione ha permesso di raccogliere ed elaborare un gran numero di dati sull'utilizzo, la resistenza e i rendimenti delle automobili a fuel cell. Purtroppo l'intera sperimentazione in Italia è stata influenzata dai vincoli imposti dal Ministero dei Trasporti, che ha concesso l'omologazione ma ha imposto una pressione massima di esercizio di 200 bar, riducendo a circa un chilogrammo la massa di idrogeno disponibile per ogni rifornimento, pari ad un'autonomia massima di 100 chilometri. Nonostante questi vincoli, comunque, la sperimentazione ha messo in luce i grandi vantaggi e le interessanti prospettive future di questo nuovo e innovativo sistema di mobilità. L'aspetto più interessante è senza dubbio quello delle emissioni in atmosfera.
Mentre un motore a combustione interna emette una grande quantità di CO2, monossido di carbonio, micropolveri, composti azotati e idrocarburi in combusti, le macchine elettriche a fuel cell emettono dai tubi di scarico esclusivamente acqua pura e aria umida. Questo significa che l'impatto ambientale della mobilità di queste macchine è pari a zero. A titolo di esempio notiamo come una macchina a benzina produca più di 100 grammi di CO2 per ogni chilometro percorso contro gli zero di una macchina elettrica a fuel cell.
L'altro aspetto fondamentale è quello energetico. Un veicolo tradizionale a combustione interna perde al motore e per i servizi accessori circa il 79% dell'energia chimica disponibile nel carburante, a cui si deve aggiungere un 2% perso nella trasmissione. Si ottiene così un rendimento di appena il 19%.
In una macchina fuel cell si perde il 42% dell'energia chimica del combustibile nelle fuel cell e un altro 18% per i servizi accessori, ottenendo così un rendimento del 40%. Il rendimento finale delle macchine a celle a combustibile è quindi più del doppio rispetto a quello delle automobili tradizionali. Quanto ai consumi, convertendo l'idrogeno in litri equivalenti di combustibili tradizionali, il risultato è che le macchine a fuel cell risultano nettamente più vantaggiose.
La Panda a idrogeno infatti fa 100 km con l'equivalente di 3,3 litri di benzina contro i quasi 5 litri di una Panda a combustione interna. Per avere un quadro completo della situazione, analizziamo infine quanto inquinamento produce l'intero ciclo di produzione, distribuzione e consumo dei principali combustibili. Il risultato è che con le modalità di produzione attuali, le emissioni totali di CO2 sono minori utilizzando l'idrogeno piuttosto che gas naturale, diesel o benzina, ma non sensibilmente.
È vero però che la tecnologia dell'idrogeno è solo all'inizio e grandissima è la sua potenzialità. Esiste infatti un ciclo virtuoso a impatto zero che oggi non viene sfruttato per limiti economici e tecnologici, l'uso delle energie rinnovabili per effettuare elettrolisi dell'acqua. Vale a dire che in futuro si potrebbe utilizzare l'energia elettrica prodotta con fonti rinnovabili per scomporre la molecola d'acqua in idrogeno e ossigeno. Il risultato sarebbe quello di produrre idrogeno e liberare ossigeno nell'aria. Successivamente con le fuel cell si chiuderebbe perfettamente il ciclo ricombinando le molecole d'acqua e ottenendo energia elettrica senza alcun tipo di emissione inquinante.
Per rendersi conto dell'importanza della ricerca in questo campo e delle potenzialità, basti pensare che nei nuovi prototipi di veicoli a fuel cell le dimensioni del sistema sono state ridotte del 40% con un incremento della potenza del 30% fino a 100 kilowatt. Il consumo di idrogeno è stato ridotto del 16% e l'autonomia è stata triplicata. Il progetto Zero Regio ha dimostrato che ancora molti sono i problemi da affrontare e i limiti tecnologici ed economici da superare, ma che la tecnologia dell'idrogeno e delle fuel cell è potenzialmente una delle migliori e più promettenti alternative al sistema di mobilità tradizionale, basato sugli idrocarburi e sui motori a combustione interna.