Analisi sperimentale di un ciclomotore ibrido elettrico-fuel cell alimentato ad idrogeno

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CAPITOLO  I 
IL PROBLEMA ENERGETICO 
 
Garantire il sempre crescente fabbisogno energetico mondiale nel rispetto 
dell’ambiente, rappresenta l’obiettivo principale degli anni a venire. Scopo di 
questo capitolo è fornire un quadro generale ed esaustivo della questione 
energetico- ambientale globale, richiamando, inoltre, le principali normative, a 
livello mondiale e Comunitario, in materia di emissioni. Particolare attenzione 
sarà rivolta, infine, all’influenza del settore dei trasporti nel contesto generale. 
 
 
I.1 -  Lo scenario energetico e le relative problematiche ambientali 
 
L’inarrestabile aumento della domanda di energia dovuta alla continua crescita 
della popolazione mondiale e la naturale aspirazione dei paesi in via di sviluppo 
di raggiungere standard economici e qualità di vita simili a quelli dei paesi 
industrializzati, rappresentano le principali cause dell’aumento delle emissioni di 
gas serra e del continuo peggioramento della qualità dell’aria. 
In figura 1.1 è riportata una previsione della domanda mondiale di energia da 
parte delle nazioni in via di sviluppo e quelle industrializzate [1], e dal grafico si 
deduce che con il passare degli anni tale richiesta continuerà a crescere.
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Fig. I.1 – Domanda mondiale di energia in funzione del tempo 
 
Se si prendono in considerazione i consumi di energia primaria di U.S.A., Cina, 
Giappone, India, e U.E. ( vedi Fig. I.2 [2] ) si deduce che il trend crescente della 
richiesta mondiale di energia è dovuto soprattutto al contributo dei Paesi Asiatici. 
La sola Cina, che nel 2007 ha praticamente raddoppiato i consumi rispetto al 2000,  
ha ormai superato i consumi dell’U.E. e, nei prossimi anni, si avvia a superare 
quelli degli U.S.A. 
 
 
Fig. I.2 – Consumi mondiali di energia primaria 2000-2007 [Mtep] 
( Fonte: BP Statistical Review of World Energy – June 2008  )
5 
In Fig. I.3 sono riportati gli andamenti dei consumi mondiali per fonte, dai quali si 
deduce che gran parte della domanda di energia elettrica mondiale, viene ancora 
soddisfatta dalla combustione del petrolio, che però presenta una crescita 
percentuale del solo 1,1% (rispetto al 2006), mentre aumenta percentualmente 
l’utilizzo del carbone (+4,5%) e del gas naturale (+3,1%) [3]. 
 
 
Fig. I.3 – Andamento dei consumi mondiali per fonte fossile 2000 – 2007  [Mtep] 
( Fonte: BP Statistical Review of World Energy – June 2008  ) 
 
Soffermandoci invece sulla situazione energetica Italiana (come riportato in Fig. 
I.4), la domanda di energia viene soddisfatta in gran parte dal petrolio (43%), una 
percentuale sempre maggiore viene ricoperta dal gas naturale (36%), mentre 
carbone (9%) e fonti di energia rinnovabile (7%) ricoprono invece un ruolo 
ancora marginale nell’approvvigionamento energetico nazionale[4].
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Fig. I.4 – Disponibilità di energia per fonte (2007) 
( fonte: elaborazione ENEA su dati del Bilancio Energetico Nazionale ) 
 
C’è da dire però che la struttura degli approvvigionamenti energetici Italiani si sta 
già da vari anni modificando. Dalla Fig. I.5 si evince un trend negativo dei 
consumi di petrolio, che tra il 2006 e il 2007 ha registrato una diminuzione del 
3,1%, e un trend estremamente positivo del gas naturale, che con il passare del 
tempo soppianterà l’uso del petrolio, data la sua natura meno inquinante; fonti 
rinnovabili e carbone registrano, invece, una crescita molto modesta. 
 
 
Fig. I.5 – Disponibilità di energia per fonte (trend 2000-2007) 
( fonte: elaborazione ENEA su dati del Bilancio Energetico Nazionale )
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Come abbiamo visto precedentemente (vedi Fig. I.3) per soddisfare la richiesta di 
energia, si ricorre principalmente allo sfruttamento di fonti fossili, come petrolio, 
gas naturale e carbone.  
L’utilizzo di fonti fossili per la produzione di energia presenta, però, un forte 
impatto ambientale. 
Un combustibile fossile, infatti, durante la sua combustione, rilascia in atmosfera 
un grande quantitativo di anidride carbonica (uno dei principali gas serra) e altre 
sostanze estremamente dannose per l’uomo e per l’ambiente, come NOx, HC, PM, 
SOx . 
Con l’avvento dell’era industriale l’uomo ha cominciato ad immettere 
nell’atmosfera un quantitativo sempre maggiore di queste sostanze, i cui effetti si 
incominciano a sentire già da diversi anni. 
Basti pensare che la concentrazione di CO
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 in atmosfera è passata da 300 ppm 
(parti per milione) prima della rivoluzione industriale, a 380 ppm oggi [5]. 
Un aumento così elevato della concentrazione in atmosfera di uno dei principali 
gas serra, non può che ripercuotersi sull’omonimo effetto. 
L’effetto serra è un fenomeno naturale di fondamentale importanza per la vita 
stessa, poiché fa sì che la temperatura media sulla terra risulti maggiore della 
temperatura di congelamento dell’acqua. 
L’aumento della concentrazione di CO2 in atmosfera ha determinato, secondo 
recenti studi, un aumento della temperatura media sulla terra di 1° Celsius, 
passando da 13,5° a 14,5°, causando così dei graduali cambiamenti nel sistema 
climatico mondiale.
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L’aumento dei gas serra nell’atmosfera non è legato solo all’aumento delle 
emissioni dovute alla combustione, ma anche ad un altro fenomeno: la sistematica 
distruzione di milioni di ettari di foreste.  
Gli alberi possono essere considerati dei veri e propri accumulatori di carbonio, in 
quanto, nella fotosintesi clorofilliana, sfruttano il carbonio presente nell’atmosfera 
per liberare nella stessa ossigeno. Mancando questi accumulatori naturali la 
concentrazione di anidride carbonica nell’atmosfera tende ad aumentare. 
 
 
I.2 -  La posizione Europea nel contesto energetico 
 
L’inquinamento dell’aria e l’effetto serra, sono fenomeni imputabili 
principalmente al settore della produzione di energia, e al settore dei trasporti; 
basti pensare che quest’ultimo, in ambito Europeo, è responsabile del 71% del 
consumo globale di petrolio [4], e che circa l’80% dell’energia primaria prodotta 
nel mondo deriva dai combustibili fossili[5]. 
Nell’ambito della Comunità Europea, nel 2007 i processi energetici sono stati alla 
base di circa l’80% delle emissioni complessive di gas serra [3], mentre il settore 
dei trasporti ha registrato nel periodo 1999-2005 un incremento delle emissioni di 
gas serra del 15% [5]. 
In ambito Italiano (vedi Tab. I.1), invece, nel periodo 1990-2005, le industrie 
energetiche hanno registrato un aumento del 15,9% delle emissioni di gas serra, 
mentre il settore dei trasporti ha registrato nello stesso periodo un aumento delle 
emissioni pari al 26,1% [4].
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Tab. I.1 – Emissioni di gas serra da processi energetici per settore economico 
Nel seguito si analizzeranno nel dettaglio tutte le possibili soluzioni alle 
problematiche ambientali, con particolare attenzione al settore dei trasporti su 
strada. 
 
 
I.3 - Il protocollo di Kyoto:  primo passo per fronteggiare il 
surriscaldamento globale 
 
Se da un lato ogni paese è responsabile, con proporzioni variabili, dell'immissione 
nell’atmosfera di gas-serra, è anche vero che ogni singolo paese si trova oggi ad 
affrontare il difficile problema degli effetti dei cambiamenti climatici, 
indipendentemente dalle proprie responsabilità. 
Questo carattere "planetario" del problema lascia intendere come sia importante la 
presenza di misure internazionali globalmente condivise per la progressiva 
riduzione delle emissioni in atmosfera.
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A tal proposito nel 1997 più di 160 paesi sottoscrissero, nella città di Kyoto, il 
cosiddetto “Protocollo di Kyoto”, un trattato internazionale riguardante il 
riscaldamento globale del pianeta. 
Tale trattato prevede l’obbligo, da parte dei paesi aderenti, di riduzione delle 
emissioni di gas serra nell’atmosfera, in misura non inferiore al 5,2% di quelle 
registrate nel 1990 (considerato come anno base) nel periodo 2008-2012. 
Perché il trattato potesse entrare in vigore, si richiedeva che fosse ratificato da non 
meno di 55 nazioni che, a loro volta, contribuissero almeno al 55% delle 
emissioni inquinanti globali. 
Tale condizioni è stata raggiunta solo nel 2004, quando anche la Russia, che da 
sola produce il 17,6% delle emissioni totali, ha aderito al Protocollo. 
Attualmente sono 174 i Paesi che hanno ratificato il Protocollo o che hanno 
avviato le procedure per la ratifica (vedi Fig. I.6), che peraltro contribuiscono per 
il 61,6% alle emissioni globali di gas serra. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
██ Firmato e ratificato                                               ██ Firmato ma non ratificato 
██ Firmato ma con ratificazione declinata                ██ Nessuna posizione 
 
 
 
 
 
 
Fig. I.6 - Posizione dei paesi nel 2005 rispetto al Protocollo di Kyoto.
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Il protocollo di Kyoto, però, concentra l’attenzione solo sulla problematica delle 
emissioni di gas serra, senza imporre alcuna restrizione sulle emissioni delle 
sostanze responsabili dell’inquinamento atmosferico. 
A tale scopo la Comunità Europea, per quanto riguarda il settore dei trasporti, ha 
emanato delle direttive antinquinamento (le cosiddette “direttive Euro”) che 
impongono il rispetto di limiti massimi consentiti di emissioni per tutte quelle 
sostanze pericolose per la salute dell’uomo e dell’ambiente in cui viviamo.  
La tabella I.2 riporta sinteticamente quanto è stato ratificato dall’Unione Europea, 
mentre invece nella tabella I.3 e nella tabella I.4 sono riportati nel dettaglio, i 
limiti di emissioni, rispettivamente, per i veicoli Diesel con massa inferiore alle 
3,5 t e per i veicoli Diesel con massa superiore alle 3,5 t. 
 
(*) Normativa Introdotta Note 
1°Gennaio 1993 
EURO 1  
[direttiva 91/441] 
Impone l’adozione della marmitta catalitica, 
con la sonda lambda e l’iniezione elettronica. 
1° Gennaio 1996 
EURO 2 
[direttiva 91/12] 
Viene stabilita una riduzione delle emissioni 
inquinanti. 
1° Gennaio 2001 
EURO 3 
[direttiva 98/69] 
Impone che i limiti d’inquinamento siano 
rispettati non solo in fase di omologazione, 
ma anche durante la vita della vettura:il 
costruttore deve garantire il funzionamento 
del catalizzatore per 80.000 km e installare 
l’EOBD, un sistema che controlla 
costantemente il tasso d’inquinamento del 
veicolo, rileva eventuali malfunzionamenti o 
avarie,le segnala tramite una spia sul 
cruscotto e registra i km percorsi inquinando 
più del consentito. 
1° Gennaio 2006 
EURO 4 
[direttiva 98/69] 
Viene stabilita un’ ulteriore riduzione delle 
emissioni inquinanti. Il costruttore deve 
garantire il funzionamento del catalizzatore 
per 100.000 km. 
1° Gennaio 2009 EURO 5 
Ulteriore riduzione delle emissioni inquinanti 
consentite. 
1° Gennaio 2015 EURO 6 In via di definizione. 
(*) Tutti gli  autoveicoli  immatricolati a partire dalla data indicata dovranno rispettare la 
normativa di riferimento. 
Tabella I.2 – Normative antinquinamento EURO.
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Agente 
inquinante 
[g/km] 
Normativa 
EU1 EU 2 EU 3 EU 4 EU 5 EU 6 
CO 0,13333 1.00 0,04444 0.05 0.05 0.05 
NOx     0.05 0.25 0.23 0.08 
HC + NOx 0,06736 0.36 0.56 0.03 0.23 0.17 
HC     0.06       
PM 0.14 0.08 0.05 0.025 0.005 0.005 
Tabella I.3 - Quadro dell’evoluzione dei limiti di emissioni per veicoli con motore 
Diesel e massa inferiore a 3.5 t. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
I.4 -  Il settore dei trasporti  nel contesto energetico 
 
L’aumento dei consumi, e quindi delle emissioni di gas climalteranti, da parte del 
settore dei trasporti (vedi paragrafo I.2), è direttamente collegata ad un’imponente 
crescita della domanda di trasporto passeggeri (In Italia, nel periodo 1990-2006, si 
registra un aumento del +30% [3] ), soddisfatta, peraltro, in maniera crescente dal 
trasporto individuale (autovetture e motocicli). 
Attualmente sono circa 750 milioni i veicoli circolanti nel mondo [6], la cui 
stragrande maggioranza presenta un sistema di propulsione a combustione interna. 
Agente 
inquinante 
[g/kWh] 
Normativa 
EU 0 EU 1 EU 2 EU 3 EU 4 EU5 
HC 2.4 1.1 1.1 0.66 0.46 0.46 
CO 11.2 4.5 4.0 2.1 1.5 1.5 
NOx 14.4 8.0 7.0 5.0 3.5 2.0 
PM 0.7 0.36 0.15 0.1 0.02 0.02 
Tabella I.4 - Quadro dell’evoluzione dei limiti di emissioni  dei veicoli con motore 
Diesel e massa superiore a 3.5 t.
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I motori a combustione interna ( MCI ), si basano su una tecnologia risalente al 
1853, quando gli Italiani Eugenio Barsanti e Felice Matteucci ne realizzarono i 
primi prototipi. 
Da allora molto è stato fatto per migliorare sempre più l’efficienza, le prestazioni 
e le relative emissioni di questi motori. 
Nei MCI di ultima generazione, ad esempio, sono impiegate tecnologie come le 
marmitte catalitiche, i sistemi “Common Rail” e i filtri antiparticolato, i cui fini 
sono rispettivamente quelli di abbattere le emissioni nocive del motore, favorendo 
la completa ossidazione e riduzione dei gas di scarico, di far salire la pressione del 
combustibile nella camera di combustione (ovvero nel cilindro) in modo da 
aumentare il rendimento del motore e al contempo stesso ridurre le emissioni di 
NOx  e particolato, e di ridurre drasticamente le concentrazioni di polveri sottili 
allo scarico, aggregando il particolato dei gas di scarico in agglomerati di 
particelle, sicuramente più grandi del particolato originario, che in tal modo 
riescono ad essere imprigionate da un apposito filtro. 
Dispositivi di questo tipo dopo essere stati lanciati su alcuni modelli di autoveicoli, 
vanno sempre più diffondendosi a bordo delle autovetture di nuova generazione. 
 
Nonostante gli enormi miglioramenti di questi motori, sia dal punto di vista delle 
prestazioni che delle emissioni, il numero sempre crescente di autoveicoli 
circolanti non ha permesso una diminuzione della concentrazione di sostanze 
climalteranti nell’atmosfera che, come si è visto precedentemente (Tab. I.1), 
continua inesorabilmente a crescere. 
Se associamo quanto detto finora, con l’inevitabile dipendenza del settore dei 
trasporti dai combustibili fossili, ci rendiamo conto che l’unica possibile 
soluzione alle problematiche ambientali è quella di ricorrere a tecnologie
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innovative più rispettose dell’ambiente che basino il loro funzionamento su fonti 
energetiche alternative.  
Nel settore dei trasporti una soluzione nel breve termine potrebbe essere quella di 
ricorrere a combustibili alternativi come biodiesel ed etanolo, ottenuti a partire 
dalle biomasse. Queste, infatti, oltre ad essere una fonte rinnovabile di energia, 
rappresentano una tecnologia neutra relativamente alle emissioni di CO2, poiché 
la quantità di biossido di carbonio emessa durante l’utilizzo dei biocombustibili è 
pari a quella assorbita dalle biomasse nel loro ciclo di vita. 
Purtroppo però non è possibile pensare di sostituire completamente l’uso dei 
combustibili fossili con l’uso dei biocarburanti a causa della loro resa energetica 
ancora troppo bassa (ad esempio nel caso del biodiesel si riescono ad ottenere 
circa 850 Kg di biocarburante per ettaro coltivato [7]).  
Si potrebbe però pensare di realizzare miscele che contengono dal 5 al 30% di 
biocombustibili per alimentare i classici motori diesel, senza apportare modifiche 
al motore stesso; ciò porterebbe prima di tutto ad una migliore lubrificazione del 
motore, con conseguente aumento della sua vita utile, e in secondo luogo ad una 
diminuzione delle emissioni di gas serra e altre sostanze particolarmente dannose 
per l’uomo e per l’ambiente [7]. 
L’obbiettivo da perseguire, invece, nel lungo termine deve essere la ricerca di un 
vettore energetico ecosostenibile, capace cioè di soddisfare la richiesta energetica 
del settore della mobilità, senza portare ad ulteriori immissioni di gas serra 
nell’atmosfera. 
L’idrogeno, le cui caratteristiche verranno esposte nel Capitolo III analizzando nel 
dettaglio sia l’aspetto della produzione che dello stoccaggio, si presta bene a 
questa idea di vettore energetico del futuro.
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Nel seguente capitolo verranno prese in considerazione le principali 
configurazioni veicolari che potrebbero, sia nel breve che nel lungo termine, 
andare ad imporsi sulla tecnologia dei MCI nel settore della mobilità stradale, 
essendo queste, tecnologie sicuramente più rispettose del’ambiente.