Idrogeno come combustibile nei motori a combustione interna

Introduzione 
 VI 
limitando il fenomeno nei paesi più industrializzati ma in quelli in via di sviluppo 
il progresso tecnologico richiederà sempre più fonti energetiche da consumare. 
 
Infine è necessario incominciare a pensare ad un’alternativa per il futuro ai 
combustibili fossili tradizionali, le cui riserve sono destinate ad impoverirsi 
sempre più nei prossimi decenni, con un attendibile rialzo dei loro prezzi.  
 
Da queste problematiche nascono come soluzioni l’interesse verso fonti 
rinnovabili dell’energia e combustibili alternativi che garantiscano livelli 
inquinanti inferiori agli attuali.  
 
In quest’ottica s’inserisce l’interesse per l’idrogeno: esso è uno dei principali 
candidati a sostituire i combustibili tradizionali nel futuro, per le sue proprietà 
energetiche ed ecologiche. 
Molteplici possono essere le sue fonti di produzione ed i suoi impieghi come 
vettore energetico: fra di essi vi è l’utilizzo come combustibile in motori a 
combustione interna, per cui l’idrogeno potrebbe promettere emissioni inquinanti 
quasi nulle con buone rese di potenza. 
 
 
Scopo della tesi    
 
Lo scopo di questa tesi è un’analisi di campo sull’utilizzo dell’idrogeno come 
combustibile nei motori a combustione interna. Il progetto nasce su richiesta 
della Wärtsilä Italia Spa, produttrice di grandi motori Diesel per il settore 
marino ed industriale, ed in collaborazione con essa si è sviluppato. L’interesse 
della ditta per il nuovo combustibile è facilmente intuibile dalle premesse 
riportate sopra e la presente tesi rappresenta il primo approccio al problema: 
una fase introduttiva per iniziare a “progettare” la sperimentazione di un motore 
ad alta potenza alimentato ad idrogeno. 
 
Si tratta quindi di definire primariamente lo scenario attuale di produzione, di 
utilizzo e di costi dell’idrogeno, segnalando possibili sviluppi futuri sia 
Introduzione 
 VII 
tecnologici che economici e secondariamente mettere in luce vantaggi e 
problematiche dell’applicazione ai motori a combustione interna. 
 
Le domande a cui s’intende dare una risposta con la presente tesi sono quindi se 
è possibile l’alimentazione ad idrogeno delle macchine esistenti, in quale 
modalità e quali sono le  variazioni minime necessarie. 
 
 
Articolazione della tesi 
 
Nel primo capitolo di questa tesi si traccia un quadro complessivo su scala 
mondiale della situazione energetica. Viene cioè analizzato lo stato attuale dei 
consumi per i combustibili tradizionali e riportate le loro previsioni future 
assieme allo stato delle riserve, in modo da definire la domanda energetica futura 
ed un orizzonte temporale per lo sfruttamento delle risorse esistenti. 
Tale quadro viene completato con la descrizione della quota di utilizzazione di 
fonti energetiche rinnovabili, il tutto con l’intento di determinare lo scenario in 
cui il ricorso all’idrogeno come vettore energetico va ad inserirsi. 
 
Nel secondo capitolo si riportano le principali proprietà dell’idrogeno. Viene 
quindi prima descritto l’elemento chimico ed in seguito le sue qualità fisico-
chimiche per arrivare ad una definizione teorica delle prospettive come 
combustibile. Si vogliono quindi definire le caratteristiche base per le successive 
valutazioni, con l’intenzione di giustificare le scelte tecnologiche future e gli 
utilizzi descritti alla fine del capitolo. 
 
Il terzo capitolo riporta una descrizione dei vari momenti del ciclo dell’idrogeno 
come vettore energetico. Vengono quindi descritti i metodi di produzione, le 
soluzioni per l’immagazzinamento ed i metodi di trasporto e distribuzione. Per 
tutti questi aspetti si riportano anche una valutazione dei costi e dell’economia 
d’esercizio.  
Inoltre si richiama l’attenzione alla sicurezza e ai principali accorgimenti da 
avere nel trattare il gas in questione che è noto per la sua sfuggevolezza e per la 
Introduzione 
 VIII
proprietà d’infragilire i materiali: si vuole anche dare un accenno a quali di 
quest’ultimi possono essere messi in servizio con l’idrogeno e ai criteri da seguire 
nella loro scelta. 
Non esistendo ancora una normativa generale per l’utilizzo come combustibile, si 
riportano alcuni accenni ai criteri che i comitati attualmente al lavoro 
sull’argomento stanno seguendo e si nomineranno alcune direttive in vigore che 
possono interessare il settore motoristico. 
 
Nel quarto capitolo vengono analizzati gli utilizzi dell’idrogeno come 
combustibile. Si riporta quindi un confronto derivato da alcuni esperimenti 
reperiti in letteratura su motori esistenti di cui si è voluto testare il 
comportamento alimentandoli ad idrogeno. Esso può permettere di definire il 
comportamento del gas e di un apparato mosso con esso, indirizzando le 
valutazioni per le applicazioni successive in progetto.  
Per completare il quadro sono descritte le principali soluzioni delle celle a 
combustibile, il miglior concorrente ai motori per il combustibile in questione. 
Esse offrono un rendimento sicuramente superiore ma i costi ed il rapporto 
peso/potenza restano ancora a favore dei propulsori classici. 
 
Nel capitolo quinto e sesto si analizza il funzionamento di un motore di grande 
alesaggio alimentato ad idrogeno partendo dai dati e dalle osservazioni ottenute 
dal capitolo precedente. Dapprima si valutano le possibilità di un funzionamento 
a gas dual-fuel. Tale tipo di funzionamento hai i vantaggi dei bassi consumi ma 
può essere limitato eccessivamente da problemi di detonazione:  valori molto 
bassi della pressione media effettiva consiglierebbero una diversa modalità di 
accensione del gas. L’accensione per compressione viene allora studiata in via 
teorica nel capitolo sesto: mediante simulazioni si è investiga la resa in potenza e 
le prestazioni del motore, paragonandole a quelle di un Diesel alimentato con 
combustibile tradizionale. 
E’ inoltre proposto un sistema d’iniezione che assicuri una buona controllabilità 
dei parametri assieme ad alcune doti di sicurezza per il controllo delle fughe del 
combustibile gassoso. 
 
  
 
1    
 
Capitolo primo
 
 
 
 
 
Il vettore energetico 
1 Introduzione 
Dall’invenzione delle prime macchine a vapore, lo sviluppo tecnologico ha 
necessitato l’impiego di fonti d’energia per sostituire il lavoro umano ed animale. 
Sempre più numerose fonti, inizialmente legno e carbone e più tardi petrolio e gas 
naturale, vennero progressivamente utilizzate al servizio delle nuove attività 
industriali e civili. 
Il vettore energetico                                                                                            Capitolo 1 
 2
Il processo di sviluppo è cresciuto esponenzialmente fino ai nostri giorni, senza dare 
il dovuto peso ai problemi che, contemporaneamente, esso provocava. Solo 
recentemente, a partire dagli anni 1970, la collettività ha preso coscienza degli effetti 
dannosi, per l’ambiente e per la salute umana, che derivano dall’uso continuo di tali 
fonti, senza trascurare la loro progressiva diminuzione. 
Una serie intrecciata di fattori economici, politici ed ambientali, quindi, ha fatto sì 
che l’attenzione si spostasse verso la ricerca di adeguate soluzioni all’impellente 
situazione ambientale. Ciò si è tradotto principalmente in un impiego più razionale 
delle fonti fossili e nella ricerca di nuove fonti energetiche, politiche che per il 
momento hanno consentito di ottenere solo modesti risultati anche in considerazione 
degli enormi interessi che regolano il funzionamento del mercato energetico 
internazionale. 
Il quadro attuale, quindi, si presenta piuttosto complesso: da un lato la crescente 
domanda energetica ed il continuo impiego di fonti fossili, dall’altro, la loro lenta, 
ma continua, diminuzione e la questione ambientale. 
In questo capitolo si evidenziano alcuni aspetti legati alla situazione energetica 
attuale, accennando alle previsioni per il possibile sviluppo futuro. Viene quindi 
introdotto il concetto di idrogeno come combustibile per il futuro, riportando anche i 
principali progetti nazionali ed internazionali che si propongono di diffondere e 
svilupparne la tecnologia, rappresentando contemporaneamente un’interessante 
opportunità di sviluppo scientifico ed economico. 
2 Aspetti ecologici, tecnologici ed economici del settore energetico 
I grandi problemi ecologici del XXI secolo sono l’effetto serra (greenhouse effect)
1
 e 
l’inquinamento atmosferico: essi stanno severamente compromettendo il clima 
                                                 
1
 Effetto serra: da qualche decennio, un aumento della concentrazione di gas serra nell'atmosfera ne 
sta riducendo la trasparenza alle lunghezze d'onda infrarosse, causando un aumento globale della 
temperatura. Vengono generalmente definiti gas serra quei gas in grado di "intrappolare" la radiazioni 
infrarosse causando l'aumento della temperatura sulla superficie terrestre. Questi gas sono 
essenzialmente: l'anidride carbonica, il metano, il protossido di azoto, gli idrofluorocarburi, i 
Il vettore energetico                                                                                            Capitolo 1 
 3
terrestre e la vivibilità delle grandi città, creando un’ emergenza mondiale, i cui 
effetti sono probabilmente destinati ad aggravarsi nel corso del secolo, anche in 
presenza di incisive strategie di intervento. 
Per limitare la mutazione climatica prevista, la maggior parte dei paesi 
industrializzati ha sottoscritto il Protocollo di Kyoto
2
, col quale si sono impegnati a 
limitare le emissioni dei gas climalteranti: si dovrebbe quindi assistere ad una lieve 
riduzione del contributo netto alle emissioni di anidride carbonica, principale gas 
serra. L’intervento sarà solo parziale, considerando che la crescita a livello mondiale 
tra il 1990 ed il 2010 delle emissioni di anidride carbonica sarà semplicemente 
limitata dal 45% al 30% a causa della forte crescita delle emissioni dei paesi in via di 
sviluppo. Tagli molto più impegnativi dovranno essere attuati nei decenni successivi, 
per giungere nel corso di questo secolo al dimezzamento delle emissioni rispetto agli 
attuali livelli, obiettivo minimo indicato dagli scienziati per evitare rischi catastrofici 
sugli equilibri climatici. 
Il danno ambientale è causato principalmente dai prodotti della combustione dei 
combustibili fossili ma anche dalle tecnologie per la loro estrazione, trasporto e 
                                                                                                                                          
perfluorocarburi e l'esafluoruro di zolfo. Se, a causa dell'effetto serra, dovesse verificarsi un 
riscaldamento globale della superficie terrestre, il ghiaccio della Groenlandia e del Mar Glaciale 
Artico si scioglierebbe e una enorme quantità di acqua dolce si aggiungerebbe a quella del Tropico. 
Inoltre la temperatura più mite farebbe aumentare le piogge sull'Artico, la loro acqua dolce 
aggraverebbe la situazione, la Corrente del Golfo non farebbe più sentire i suoi benefici effetti e i 
ghiacci artici ricomincerebbero ad estendersi. Dato che l'acqua riflette solo il 10% della radiazione 
solare, assorbendo il resto (e quindi riscaldandosi), mentre il ghiaccio ne riflette ben il 90%, si avrebbe 
quindi un ulteriore raffreddamento, che porterebbe ad una nuova era glaciale. 
2
 Il protocollo di Kyoto è un accordo internazionale per la riduzione delle emissioni di gas serra, 
responsabili del surriscaldamento del pianeta (global warming), firmato il 7 dicembre 1997, il giorno 
seguente alla chiusura ufficiale della terza Conferenza delle Parti della Framework Convention on 
Climate Change. 
L’adozione del protocollo di Kyoto ha rappresentato la tappa più rilevante del processo di 
negoziazione per il controllo del cambiamento climatico, avviato alla Conferenza di Rio del 1992. 
I Paesi soggetti a vincolo di emissione sono 39, ed includono, sostanzialmente, i Paesi dell’OCSE e 
quelli con economie in transizione. Il tasso di riduzione delle emissioni (misurate in CO
2
 equivalenti) 
è già differenziato per ogni Paese con un valore medio di riduzione pari al 5,2%. 
Il vettore energetico                                                                                            Capitolo 1 
 4
trattamento. I maggiori danni sono comunque quelli legati al loro impiego finale. In 
particolare la combustione libera nell’aria oltre all’anidride carbonica, anche 
elementi aggiunti nella fase di raffinazione (piombo, alcool, metanolo, etanolo). 
Le esigenze ambientali portano il settore energetico ad attraversare una fase di 
profonda trasformazione, contemporanea alla liberalizzazione dei mercati. 
La domanda energetica, inoltre, continuerà a salire nei prossimi anni e decenni, 
nonostante si preveda una progressiva riduzione dell’ intensità energetica, cioè della 
quantità di energia consumata per dollaro di valore aggiunto prodotto. [F. Zoffrea , 
Enitecnologie].  
Per il 2020 è prevista una domanda globale di 15 miliardi di tonnellate di olio 
equivalente, con un tasso annuo di crescita superiore al 2%. La risposta a tale 
domanda dovrà continuare ad essere soddisfatta prevalentemente da fonti fossili, che 
oggi rappresentano fra l’85% e il 90% dell’offerta energetica mondiale. Tuttavia è 
già atto un progressivo spostamento di interesse verso combustibili a basso rapporto 
carbonio/idrogeno (C/ H). 
 
Figura 1. 1 – Rapporto C/H nello sviluppo storico dei combustibili 
 
Infatti uno dei primi passi necessari al contenimento delle emissioni inquinanti è il 
ricorso a combustibili con contenuto specifico di carbonio più basso possibile, al fine 
di limitare la produzione di anidride carbonica. Dalla Figura 1. 1 riportata 
Il vettore energetico                                                                                            Capitolo 1 
 5
precedentemente si vede come dall’utilizzo del carbone, fonte energetica principale 
negli anni della prima industrializzazione, ci si stia spostando verso il metano, dopo 
essere passati attraverso il petrolio, e questo trend porterà indiscutibilmente ad un 
combustibile che sia privo di carbonio: l’idrogeno. 
Questo processo, detto di “decarbonatazione”, viaggia di pari passo con lo sviluppo 
di fonti energetiche rinnovabili, quali quella idroelettrica, eolica, fotovoltaica, da 
biomassa. Un loro decollo su larga scala è previsto per i decenni futuri con un 
progressivo allargamento delle quote di produzione energetica mondiale, attualmente 
al 19%, che nel 2050 potrebbero raggiungere il 50%, secondo elaborazioni della 
Shell. Uno de principali candidati a vettore per l’energia prodotta da tali fonti sarà 
proprio l’idrogeno. 
Un’alternativa alle fonti rinnovabili può essere individuata nel nucleare, che 
potenzialmente potrebbe risolvere i problemi energetici mondiali, ma la sicurezza 
della tecnologia ed i problemi ambientali di smaltimento delle scorie, non la rendono 
ancora a livelli adeguati ad un’accettazione da parte della popolazione. 
Assieme al ricorso a combustibili a contenuto di idrogeno più alto possibile e 
all’utilizzo di fonti energetiche rinnovabili, il risparmio energetico è un altro 
provvedimento fondamentale per contenere, anche oltre gli orizzonti temporali di 
Kyoto, l’inquinamento ambientale. I progressi in tale campo sono stati tangibili negli 
ultimi decenni ma l’effetto dei miglioramenti futuri tenderà a restringersi ed il costo, 
l’impegno e la fatica per raggiungerli sarà sempre più alto. 
E’ quindi opinione diffusa tra gli studiosi che non sarà solo sul miglioramento 
dell’efficienza energetica che dovrà puntare la civilizzazione futura. 
Allo stato attuale delle cose, il problema del contenimento dell’anidride carbonica 
prodotta dovrà necessariamente passare dalla sottrazione di questa mediante la 
decarbonatazione e la “sequestrazione”. Oggi però i processi di sequestrazione ed 
intombamento dell’anidride carbonica in fondo agli oceani, nei pozzi petroliferi, 
nelle miniere di sale o con altre soluzioni che attualmente vengono ipotizzate e 
sperimentate, sono tutti molto costosi e, se applicati con le attuali tecnologie, 
peserebbero sul conto economico in misura eccessivamente rilevante [F. Zoffrea,19]. 
Il vettore energetico                                                                                            Capitolo 1 
 6
Diventa quindi necessario trovare modalità di sottrazione con economie del tutto 
differenti da quelle odiernamente realizzabili.  
Le vie possono essere due: sottrarre ai combustibili il carbonio prima della 
combustione o ai prodotti dopo che essa è avvenuta. La prima soluzione indirizza ad 
una produzione centralizzata di idrogeno, con sequestro dell’anidride carbonica 
(Figura 1. 2). 
 
Figura 1. 2 – Sistema energetico basato sull’idrogeno e sulla sequestrazione della CO
2
 
 
2.1 Ruolo dell’idrogeno negli scenari energetici di medio e lungo 
termine 
Dalle argomentazioni riportate nel paragrafo precedente, si può intuire facilmente il 
ruolo che l’idrogeno potrà giocare negli scenari energetici futuri. Infatti solo con il 
binomio idrogeno-elettricità si può prevedere di eliminare completamente le 
emissioni inquinanti all’utilizzo. Questo appare come il modo più sicuro per 
incamerare l’energia solare, idrica ed eolica. Se bruciato in aria, gli unici prodotti 
inquinanti sono gli ossidi di azoto, comunque fortemente ridotti dal fatto che la 
Il vettore energetico                                                                                            Capitolo 1 
 7
presenza di idrogeno tende a formare acqua; inoltre reattori catalitici operanti a basse 
temperature possono ridurre le emissioni di ossido di azoto ad un livello 
insignificante. 
La tecnologia basata sull’idrogeno propone interessanti prestazioni: se si alimentano 
con esso celle a combustibile, si può produrre elettricità con un’efficienza teorica di 
0,83 (limite entalpico), limitata nella pratica a valori più bassi (< 0,7). Le moderne 
turbine ad alta temperatura raggiungono efficienze di 0,5-0,6 e possono operare 
perfettamente con l’idrogeno. Il suo utilizzo in motori a combustione interna è 
argomento di questa tesi, si può comunque anticipare che le aspettative sono 
interessanti. 
Più voci autorevoli vedono nell’economia dell’idrogeno il futuro 
dell’approvvigionamento energetico mondiale.  
Essa si può rivedere secondo i paradigmi storici che fin’ora hanno accompagnato lo 
sviluppo e la sostituzione delle varie fonti energetiche: 
- la decarbonatazione 
- la dematerializzazione 
- la convenienza economica. 
Rispetto però alle altre fonti, l’idrogeno sembra presentare una discontinuità: non 
rispetta infatti il criterio della convenienza economica, che ha favorito la 
penetrazione delle altre fonti energetiche, in quanto necessita di costi di produzione 
aggiuntivi. 
 
Il vettore energetico                                                                                            Capitolo 1 
 8
 
Figura 1. 3 – Processo di sostituzione mondiale delle fonti energetiche primarie [Nakicenovic] 
E’ però opinione diffusa tra gli studiosi del settore che lo sviluppo di una civiltà sia 
da intendersi nell’accezione attuale di “sviluppo sostenibile”: vanno così considerati 
costi accessori alla produzione dell’energia, per ottemperare a leggi ambientali e 
accordi internazionali sempre più restrittivi. In un’ottica quindi più ampia vanno 
presi in considerazione costi quali quelli per la salute pubblica e per la salvaguardia 
ambientale che rendono in prospettiva conveniente anche economicamente l’uso 
dell’idrogeno rispetto alle altre fonti. 
“L’utilizzazione dell’idrogeno come vettore energetico non è quindi una forzatura 
ma una naturale evoluzione del sistema energetico mondiale” [R. Infusinato, ENEA]. 
Nel breve periodo, lo sviluppo della tecnologia basata sull’idrogeno può riguardare 
economie di nicchia e, tramite il confinamento della parte carbonica, può rendere 
ancora utilizzabili senza ricadute ambientali fonti energetiche disponibili in grande 
quantità. 
Mancano però le reali infrastrutture per il trasporto e la diffusione ed il loro sviluppo 
è pensabile solo in un medio-lungo termine. Applicazioni localizzate del nuovo 
Il vettore energetico                                                                                            Capitolo 1 
 9
combustibile possono però aprire le porte alla sua diffusione su più larga scala, 
favorendo la formazione del mercato e delle tecnologie correlate. 
2.2 Situazione energetica mondiale e previsioni 
Facendo riferimento ai dati riportati dall’Energy Information Administration 
nell’International Energy Outlook 2001
3
, per il consumo mondiale di energia è 
previsto un aumento del 59% nell’orizzonte temporale 1999-2020. 
La situazione prevista è riportata nella Tabella 1. 1 e nella  
Figura 1. 4: l’utilizzo di energia crescerà da 382 quadrilioni di Btu (403.10
15
 kJ) nel 
1999 a 607 quadrilioni di Btu (640.10
15
 kJ) nel 2020. 
 
Figura 1. 4 – Consumo energetico mondiale 
                                                 
3
 Le previsioni dell’IEO 2001 non tengono conto di politiche future per la riduzione delle emissioni di 
anidride carbonica e sono basate solo sulla legislazione corrente. Danno però un’ottima idea sul futuro 
della domanda energetica. 
 
Il vettore energetico                                                                                            Capitolo 1 
 10
 
Tabella 1. 1 – Consumo energetico ed emissioni di anidride carbonica per regione
4
 
La maggior parte della crescita della domanda energetica mondiale si aspetta nelle 
regioni in via di sviluppo, in particolare in Asia, America Centrale e del Sud: in 
questi paesi viene previsto un raddoppio della domanda tra il 1999 e il 2020 (Figura 
1. 5). 
 
Figura 1. 5 – Consumo energetico ripartito per paesi 
                                                 
4
 EE: Est Europa; FSU: ex Unione Sovietica; 1 Btu = 1,055 kJ. 
Il vettore energetico                                                                                            Capitolo 1 
 11
Attualmente il petrolio rappresenta la più grande fonte energetica consumata e si 
prevede che rimanga tale fino al 2020: le proiezioni danno una percentuale rispetto al 
totale dell’energia consumata, che dovrebbe mantenersi superiore al 40% con un 
aumento del consumo dal 2,3% annuo, da 75 milioni di barili al giorno nel 1999 a 
120 milioni di barili al giorno nel 2020 (Figura 1. 6). 
 
Figura 1. 6 – Consumo energetico mondiale ripartito in percentuali per combustibile 
I paesi più industrializzati continuano a consumare più prodotti petroliferi mondiali 
rispetto ai paesi in via di sviluppo, ma il gap è previsto venga colmato entro il 2020 ( 
Figura 1. 7).