L'impiego dell'idrogeno verde nelle aziende agricole
La necessità di ridurre le emissioni climalteranti e l’intermittenza della produzione energetica dalle fonti eolica e fotovoltaica, rendono lo sfruttamento dell’idrogeno un’opzione interessante specie se prodotto nell’azienda agricola per alimentare macchinari e impianti
La necessità di ridurre la dipendenza delle fonti energetiche di origine fossile rappresenta da tempo un imperativo assoluto. Tra le soluzioni alternative, anche per i mezzi agricoli, oggi il focus si sta evolvendo verso un vettore energetico ancora più “green” del biometano e più pratico dell’elettrico tradizionale, ovvero l’idrogeno. Non si tratta peraltro di una fonte di energia primaria, poiché per produrlo, isolarlo ed utilizzarlo sono necessari degli input energetici, finalizzati alla separazione delle molecole in cui è presente l’idrogeno. A differenza delle tradizionali fonti rinnovabili (sole, vento e acqua), il cui apporto energetico risulta essere intermittente e dipendente dalle condizioni climatiche, l’idrogeno può essere consumato immediatamente, o stoccato per un uso successivo. Ciò permette di accumulare gli eccessi di produzione nei periodi di massimo rendimento degli altri impianti.
L’idrogeno può essere impiegato sia come vettore per la produzione di energia, sia come combustibile per l’alimentazione diretta di un motore a combustione interna; è una flessibilità che senza dubbio ha contribuito ad accrescerne l’interesse, in particolare nei comparti dove l’elettrificazione diretta incontra tuttora diversi limiti.
Le macchine agricole semoventi e l’idrogeno. Nei trattori destinati alle lavorazioni pesanti, tipicamente quelli di potenza elevata, le soluzioni full-electric evidenziano ancora significativi limiti di autonomia, di tempi di ricarica e di massa degli accumulatori. In questo scenario, l’idrogeno si propone come una possibile alternativa, soprattutto nelle applicazioni caratterizzate da cicli di lavoro intensivi, dove risultano determinanti l’elevata densità energetica e la rapidità di rifornimento.
Le principali soluzioni oggi studiate per il settore agricolo riguardano l’alimentazione delle fuel cell per la produzione di energia elettrica e la combustione in motori endotermici, opportunamente adattati.
Nelle fuel cell, l’idrogeno produce energia elettrica attraverso una reazione elettrochimica, reagendo con l’ossigeno e alimentando sia la propulsione che le numerose funzioni tipiche del trattore; un impianto di accumulo di capacità contenuta (tipicamente, una batteria tampone) interviene solitamente per far fronte ai picchi di carico. In alternativa, una diversa configurazione più adatta in contesti a carico fortemente variabile, vede le fuel cell lavorare principalmente come generatore per la ricarica di una batteria di dimensioni decisamente maggiori.
Queste soluzioni, pur con differenti combinazioni tra generazione e accumulo, consentono di mantenere i vantaggi tipici dell’azionamento elettrico, ovvero un’elevata efficienza del generatore di potenza e l’assenza di emissioni allo scarico (limitate a vapore acqueo e calore) con rendimenti che possono superare anche il 60%. Permangono tuttavia significative criticità inerenti gli elevati costi delle pile a combustibile e soprattutto dei sistemi di gestione dell’idrogeno, che incidono molto sul costo complessivo del veicolo, rispetto al ben collaudato motore endotermico. A ciò si aggiunge la questione della vita utile: la durata tipica delle pile a combustibile è notevole, di solito tra 8.000 e 20.000 ore, ma in ambito agricolo, vibrazioni, polveri, carichi variabili e cicli di lavoro intensivi possono accelerare di molto il degrado dei componenti elettrochimici, influenzandone l’affidabilità nel lungo periodo.
L'approccio alternativo consiste invece nell'utilizzare l'idrogeno direttamente come combustibile nei motori a combustione interna, opportunamente modificati, in modo da avvalersi utilmente di gran parte delle conoscenze progettuali, produttive e manutentive già note da diversi decenni. Per i costruttori ciò rappresenta un grande vantaggio, che riduce di molto le necessità di riprogettazione. Nonostante l'efficienza energetica sia inferiore rispetto alla soluzione con le fuel cell (in questo caso i rendimenti sono tra il 30 e il 40%, in linea con quelli dei più moderni motori endotermici alimentati con combustibili di origine fossile), questa soluzione è considerata piuttosto promettente, soprattutto per applicazioni ad elevata richiesta di potenza e per un maggiore know-how delle soluzioni tecniche applicate. Restano tuttavia alcuni nodi non completamente risolti, come ad esempio le emissioni gassose inquinanti, soprattutto per ciò che concerne gli ossidi di azoto (NOx).
Un’ulteriore criticità, che riguarda soprattutto le macchine agricole alimentate ad idrogeno (in entrambe le configurazioni), riguarda lo stoccaggio del combustibile a bordo macchina. Per ottenere una soddisfacente densità energetica, è necessario comprimere il gas a pressioni elevate molto elevate, tra 350 e 700 bar, oppure mantenerlo allo stato liquido a temperature estremamente basse (fino a −253 °C). Si tratta di soluzioni che comportano un incremento significativo della complessità del sistema, con conseguenze dirette su ingombri, requisiti di sicurezza e integrazione sulle macchine agricole. Nonostante queste potenziali difficoltà, di recente diversi costruttori leader di mercato hanno avviato programmi di sviluppo di macchine agricole semoventi alimentate a idrogeno.
Per quanto riguarda la combustione interna, il caso più avanzato è rappresentato dall’inglese JCB, che ha sviluppato un motore a idrogeno derivato dalla propria unità diesel JCB 448 da 4.800 cm³. Si tratta di un 4 cilindri in linea che eroga 55 kW (75 Cv) di potenza, con una coppia motrice e prestazioni comparabili a quelle dei motori diesel della medesima categoria. Sono già stati prodotti un centinaio di esemplari, installati nell’occasione su sollevatori telescopici, pale gommate, escavatori e trattori agricoli sperimentali. L’obiettivo generale è mantenere modalità operative e livelli prestazionali analoghi a quelli dei corrispondenti modelli, con tempi di rifornimento e autonomia operativa compatibili con le esigenze tipiche dei cantieri di lavoro e delle aziende agricole.
Sempre derivato da un modello diesel progettato per macchine agricole semoventi è quello proposto dalla tedesca Deutz, che ha presentato un 6 cilindri in linea da 7.800 cm³ da 220 kW a 2.200 giri/min di potenza massima, con una coppia di 1.000 Nm sviluppata tra 1.400 e 1.600 giri/min. Il sistema di alimentazione è a idrogeno a 25–30 bar circa, con una configurazione del propulsore adeguata a cicli di lavoro gravosi e ad un funzionamento continuativo.
Viceversa, sul fronte delle celle a combustibile, uno dei primi esempi in ambito agricolo è il progetto NH² di New Holland, presentato nel 2009 e basato sulla piattaforma T6000. Il prototipo sostituiva il motore diesel con un sistema full-electric alimentato tramite fuel cell, supportato da due motori separati, uno per la trazione e l’altro per i servizi ausiliari. La potenza globale disponibile era di 106 Cv circa, per un’autonomia operativa tra 1,5 e 2 ore. In questa configurazione è stata eliminata la trasmissione meccanica così come il motore endotermico, riducendo sensibilmente rumorosità e vibrazioni. Pur in assenza di un effettivo sviluppo commerciale, il progetto NH² ha rappresentato una delle prime dimostrazioni concrete dell’impiego delle fuel cell nel comparto agricolo.
Una realizzazione analoga più recente è quella sviluppata da Fendt nell'ambito del progetto H2Agrar. In questo caso, l'obiettivo non è stato unicamente lo sviluppo del veicolo, quanto la progettazione dell'intero sistema energetico aziendale. Realizzato a partire dalla piattaforma dell’e100 Vario, il trattore sperimentale, denominato Helios, sfrutta una fuel cell da 100 kW per produrre l'energia elettrica necessaria, supportato nell’occasione da una batteria tampone da 25 kWh per la gestione dei picchi di potenza e delle utenze ausiliarie. L'idrogeno viene immagazzinato in 5 serbatoi installati sul tetto del veicolo, ciascuno con una capacità di 4,2 kg per un totale di circa 21 kg stoccati ad una pressione di 700 bar, ed è generato tramite elettrolisi con uso di energia proveniente da fonti rinnovabili, con stoccaggio e rifornimento del trattore mediante una stazione dedicata. L'obiettivo generale è verificare, in condizioni operative reali, non solo l'affidabilità della macchina, ma anche il livello di sostenibilità dell'intera catena energetica.
Il sistema per la produzione di idrogeno
La maggior parte dell’idrogeno prodotto attualmente si avvale di due processi distinti, ovvero lo “Steam methane reforming (SMR)” e l’elettrolisi. Nel primo, il metano reagisce ad alta temperatura e pressione (700°C e 20 bar) con due molecole di acqua, generando 4 molecole di idrogeno bimolecolare (H2) e una di anidride carbonica (CO2). L’elettrolisi invece sfrutta l’energia elettrica per separare gli atomi che costituiscono l’acqua (H2O).
Nelle aziende agricole dove sono già operativi impianti di digestione anaerobica, lo SMR potrebbe essere praticato sfruttando il biogas prodotto, opportunamente raffinato in biometano. Il prodotto finale è categorizzato come “idrogeno grigio”, poiché la mole di anidride carbonica emessa in atmosfera come sottoprodotto del processo è in equilibrio con la mole stoccata durante la crescita delle biomasse. La principale criticità dello SMR è il consumo energetico necessario per mantenere le condizioni ottimali di temperatura e pressione. Oggi sono però disponibili tecnologie avanzate a minor input energetico, in grado di produrre idrogeno ad alta purezza anche direttamente dal biogas, senza la preventiva separazione della CO2. Un esempio di ciò è rappresentato dai sistemi “h2genio” sviluppati dalla Hysytech Srl di Orbassano (Torino).
L’elettrolisi presenta due aspetti interessanti: può essere effettuata con energia prodotta da fonti rinnovabili, e al tempo stesso permette di tamponare l’intermittenza energetica delle fonti rinnovabili. Il surplus energetico potrà infatti essere stoccato come idrogeno tramite elettrolisi, e potrà poi essere utilizzato all’occorrenza senza emettere anidride carbonica in atmosfera. Unitamente alla recente realizzazione ed immissione sul mercato di elettrolizzatori di misure e potenze diverse, questo processo rappresenta una prospettiva promettente per l’azienda agricola, anche grazie al diffondersi di impianti agrivoltaici sempre più efficienti, destinati a riunire sulla stessa superficie produzione agricola e di energia. Un esempio di questo processo elettrolitico è praticato dall’IMI Remosa di Cagliari, che realizza impianti da 1 a 5 MW di potenza, in grado di produrre da 200 a 1000 Nm³/h di idrogeno, con una purezza del 99.9%.
