Quando si parla di trazione a idrogeno, l’attenzione tende solitamente a concentrarsi sul treno stesso. Per gli operatori ferroviari, tuttavia, la stazione di rifornimento, la sua architettura tecnica e il suo funzionamento quotidiano sono altrettanto fondamentali. Per comprendere meglio cosa comporti l’utilizzo dell’idrogeno – non solo per il materiale rotabile, ma anche per le infrastrutture di supporto – abbiamo parlato con gli esperti del Výzkumný ústav železniční, a.s. (VUZ). Oltre ai test e alla certificazione, il VUZ è specializzato nella consulenza tecnica e nella valutazione delle tecnologie ferroviarie emergenti.
Da un punto di vista tecnico, un treno a idrogeno è semplicemente un treno elettrico standard dotato di una batteria di trazione più piccola; l’unica differenza risiede nella fonte di alimentazione. Anziché prelevare l’elettricità dalla catenaria tramite un pantografo, immagazzina l’idrogeno in serbatoi pressurizzati a bordo e lo converte in elettricità tramite una cella a combustibile integrata, producendo come sottoprodotti solo calore e vapore d’acqua. Tutto ciò che si trova a valle della cella a combustibile si basa su principi di ingegneria elettrica convenzionali che vengono utilizzati da decenni. La variabile principale rimane il sottosistema dell’idrogeno, che ha un impatto sul treno, sull’infrastruttura di rifornimento e sulle strutture di manutenzione.
Il ruolo della stazione di rifornimento
L'idrogeno viene solitamente trasportato fino al sito in rimorchi cisterna o serbatoi di stoccaggio a pressioni fino a 400 bar (40 MPa), mentre i serbatoi di stoccaggio a bordo di un treno funzionano generalmente a una pressione nominale di 350 bar (35 MPa).
Il metodo di rifornimento più elementare consiste nel collegare i due sistemi e lasciare che siano le leggi della fisica a fare il resto: il gas fluisce spontaneamente dall’area di maggiore pressione a quella di minore pressione. Tuttavia, questo metodo è efficace solo inizialmente. Man mano che la pressione tra il serbatoio di trasporto e il serbatoio di bordo si equalizza, la portata cala bruscamente e il rifornimento si interrompe. Il processo può essere accelerato solo collegando in cascata un altro serbatoio, più pieno e a pressione più elevata.
Questo metodo passivo è estremamente inefficiente poiché una quantità considerevole di idrogeno rimane intrappolata nel contenitore di trasporto dopo la compensazione della pressione; in casi estremi, fino alla metà del volume erogato.
È proprio questa inefficienza a rendere necessaria una stazione di rifornimento attiva. Essa combina la semplice equalizzazione della pressione con una compressione meccanica attiva durante il processo di rifornimento. Ciò garantisce che il rifornimento rimanga rapido e che la nave di approvvigionamento venga svuotata quasi completamente. Questa funzione cruciale, che avviene dietro le quinte, determina direttamente gli indicatori a cui gli operatori attribuiscono maggiore importanza:
- Tempo di fermo: il tempo durante il quale il treno deve rimanere fermo per il rifornimento.
- Utilizzo: quale percentuale di ciascuna fornitura di idrogeno viene effettivamente utilizzata
Perché il rifornimento di idrogeno non è simile al rifornimento di gasolio
I paragoni con il rifornimento tradizionale di gasolio sono in gran parte inattendibili. Durante il rifornimento di gasolio, sono sufficienti le normali precauzioni industriali e il principale rischio ambientale è rappresentato da una fuoriuscita localizzata che comporta la contaminazione del suolo.
L’idrogeno, al contrario, non è tossico ma è altamente volatile. Forma una miscela infiammabile con l’aria in un intervallo di concentrazioni eccezionalmente ampio, che va all’incirca dal 4% al 75% in volume. Questo ampio intervallo di infiammabilità impone sia una progettazione ingegneristica rigorosa della stazione sia procedure operative precise da seguire durante il rifornimento.
L'uso industriale dell'idrogeno non è del tutto senza precedenti. L'idrogeno viene utilizzato come gas industriale compresso da quasi un secolo in applicazioni che spaziano dalla metallurgia al settore chimico, il che significa che le sue proprietà fisiche, i rischi legati alla sua manipolazione e le sue caratteristiche sono ampiamente documentati.
Ciò che rappresenta una novità assoluta è il suo impiego in un contesto ferroviario ad alta produttività, l’entità del suo consumo e i requisiti relativi allo stoccaggio localizzato in loco. Di conseguenza, le norme di sicurezza e gli standard tecnici relativi al rifornimento di idrogeno sono in continua evoluzione di pari passo con il suo ruolo sempre più importante nel settore dei trasporti.
Risparmio effettivo di emissioni di carbonio grazie alla trazione a idrogeno
Il principale argomento di marketing a favore della trazione a idrogeno è che il treno emette solo acqua nel luogo di utilizzo. Tuttavia, i dati a sostegno di questa affermazione meritano un’analisi più approfondita, poiché il bilancio complessivo è meno lineare di quanto sembri a prima vista.
Si consideri uno scenario di riferimento che prevede un treno con un serbatoio di bordo della capacità di 24 m³ a una pressione nominale di 350 bar. A una temperatura di 15 °C, questo serbatoio contiene circa 576 kg di idrogeno. Considerando un potere calorifico inferiore (LHV) di 33,3 kWh per chilogrammo, un serbatoio pieno contiene circa 19,2 MWh di energia.
La variabile fondamentale è l’efficienza di conversione: una tipica cella a combustibile converte solo circa la metà di questa energia immagazzinata in elettricità, lasciando a disposizione circa 9,6 MWh per la propulsione del veicolo. Dal punto di vista del veicolo, ciò equivale ai 9,6 MWh che un treno elettrico comparabile preleverebbe direttamente dalle linee aeree. Il vantaggio principale della trazione a idrogeno risiede proprio nella completa eliminazione delle emissioni operative di anidride carbonica (CO₂).
Per quantificare con precisione la riduzione netta delle emissioni di CO₂ derivante dalla propulsione a idrogeno rispetto al materiale rotabile diesel che è destinata a sostituire, è necessario valutare carichi utili identici che operano su percorsi identici. Poiché i dati sul campo in condizioni identiche possono essere difficili da acquisire, il seguente modello teorico illustra tale relazione.
Se analizziamo un treno a idrogeno con un fabbisogno di potenza continua di 1.000 kW e lo confrontiamo con un equivalente diesel, possiamo calcolare il consumo di diesel corrispondente sulla base di un’ efficienza di trazione standard del diesel pari al 20% e di un potere calorifico del diesel pari a 12 kWh/kg:
(9600 kWh / 20 % / 12 kWh) = 4000 kg.
Poiché la combustione di 1 kg di gasolio genera 2,64 kg di CO₂, il risparmio operativo lordo ottenuto grazie alla trazione a idrogeno in base a questi parametri ammonta a 2,64 × 4.000 kg = 10,56 tonnellate di CO₂!
L'origine dell'idrogeno è importante
Sebbene l’affermazione secondo cui un veicolo a idrogeno emette solo acqua sia vera durante il funzionamento, essa non tiene conto del ciclo di vita del combustibile stesso. Il fatto che l’intero sistema possa essere considerato a basse emissioni dipende strettamente dal processo di produzione dell’idrogeno.
Attualmente, la stragrande maggioranza dell’idrogeno prodotto a livello mondiale non è pulito. La stragrande maggioranza deriva dai combustibili fossili attraverso processi quali:
- Riformato a vapore del metano (SMR) del gas naturale
- Ossidazione parziale degli oli combustibili pesanti
- Gassificazione del carbone
L'elettrolisi dell'acqua rappresenta attualmente solo una piccola parte dell'offerta globale. L'idrogeno ottenuto attraverso questi processi non rinnovabili e ad alto consumo di combustibili fossili è classificato come idrogeno grigio.
La produzione nazionale di idrogeno nella Repubblica Ceca riflette questo paradigma globale. È profondamente integrata nei processi esistenti dell’industria chimica – principalmente la sintesi dell’ammoniaca e la petrolchimica – e supera le 100.000 tonnellate metriche all’anno, quasi tutte di tipo “grigio”.
Solo l’idrogeno verde, prodotto tramite elettrolisi dell’acqua alimentata da energia rinnovabile in eccedenza, rende un treno a idrogeno veramente a basse emissioni. Questa risorsa risulterà naturalmente più conveniente nelle regioni caratterizzate da eccedenze strutturali di energia elettrica, come i paesi costieri che sfruttano l’energia solare diurna combinata con quella eolica notturna.
L’Europa centrale si trova ad affrontare un contesto energetico più complesso; in questa regione, infatti, non è possibile dare per scontata una fornitura continua e affidabile di energia elettrica rinnovabile a basso costo e in eccesso. L’Europa centrale si trova ad affrontare un contesto energetico più complesso; in questa regione, infatti, non è possibile dare per scontata una fornitura continua e affidabile di energia elettrica rinnovabile a basso costo e in eccesso.
Una valutazione completa
Le argomentazioni fondamentali a favore dell’ idrogeno rimangono valide. È atossico, eccezionalmente leggero e può essere prodotto in modo sostenibile a partire dall’elettricità in eccesso. Soprattutto, consente di introdurre la propulsione elettrica sulle linee ferroviarie prive di elettrificazione aerea e dove l’installazione completa della catenaria è economicamente impraticabile.
Condurre questo tipo di analisi del ciclo di vita e di valutazione economica è stato un obiettivo fondamentale per l’Istituto di ricerca ferroviaria (VUZ, a.s.) nel corso della sua partecipazione alle iniziative regionali relative al trasporto ferroviario a idrogeno, nell’ambito delle quali ha contribuito a individuare le linee ferroviarie ceche idonee all’utilizzo dell’idrogeno.
Questo tipo di valutazione va oltre le specifiche tecniche del materiale rotabile. Essa costituisce parte integrante del quadro di consulenza più ampio di VUZ, che comprende valutazioni ESG (ambientali, sociali e di governance) e audit operativi sulla sostenibilità. Per le tecnologie classificate come a basse emissioni, il bilancio complessivo del ciclo di vita rappresenta il criterio definitivo di fattibilità. Tale bilancio deve comprendere:
- L'origine della produzione dell'idrogeno
- Logistica dei trasporti e metodologie di stoccaggio
- Efficienza delle infrastrutture di rifornimento
- Protocolli di sicurezza e gestione del rischio operativo
In definitiva, la trazione a idrogeno non rappresenta un sostituto universale del diesel, ma piuttosto un’integrazione mirata su tratte in cui l’elettrificazione convenzionale non è fattibile. Il suo vero vantaggio ambientale ed economico dipenderà sempre dal veicolo stesso, dalla disponibilità locale di idrogeno verde e dall’efficienza dell’intera filiera energetica a monte.
