UNIVERSITÀ DI PISA
Dipartimento di Economia e Management
Corso di laurea magistrale in Strategia, Management e Controllo
TESI DI LAUREA
L’utilizzo dell’ammoniaca come
combustibile per autotrazione: un’analisi
di convenienza economica
Relatore:
Prof. Riccardo Giannetti
Candidato:
Rachele Bacci
Indice
pag.
Introduzione
5
Capitolo 1. L’utilizzo dell’ammoniaca come combustibile
per autotrazione: aspetti tecnico-ingegneristici
9
1.1 Premessa
9
1.2 Le alternative: l’elettrico e l’idrogeno
10
1.3 I vettori idrogeno e l’ammoniaca
13
1.3.1 I vantaggi dell’ammoniaca 14
1.3.2 Gli svantaggi dell’ammoniaca 17
1.3.3 I processi di sintesi dell’ammoniaca 19
1.3.4 Utilizzo dell’ammoniaca per autotrazione: breve panoramica storica 22
1.3.5 Le applicazioni: il progetto SAVIA e i primi prototipi 23
1.3.6 Le prestazioni di un veicolo alimentato ad ammoniaca 28
1.4 Confronto fra l’ammoniaca ed i combustibili alternativi
29
Capitolo 2. Introduzione all’analisi economica: finalità
e ipotesi di base
352.1 Introduzione
35
2.2 Il Total Cost of Ownership
39
2.2.1 Caratteristiche principali 39
2.2.2 Le origini ed il confronto con altri strumenti di costing 42
2.2.3 Applicazioni principali 46
2.2.3.1 L’impiego del Total Cost of Ownership a supporto dello sviluppo di nuovi prodotti 51
2.2.4 Il calcolo del Total Cost of Ownership 53
2.2.5 Pro e contro del metodo 57
2.3 L’impostazione dell’analisi economica
59
2.3.1 La formula del TCO 60
Capitolo 3. L’analisi dei costi di un’auto alimentata
ad ammoniaca: i possibili scenari
733.1 Introduzione 73
3.2 L’analisi del benchmark di riferimento: il TCO dei veicoli
tradizionali 78
3.2.1 Prezzo di acquisto e valore residuo 78
3.2.2 Quota interessi sul capitale impiegato 82
3.2.3 Costo annuale di assicurazione e bollo 87
3.2.4 Costo per manutenzioni e riparazioni 91
3.2.5 Costo del carburante 95
3.2.6 Risultati finali 98
3.3 Il TCO dell’auto ad ammoniaca: i possibili scenari 103
3.3.1 Gli scenari 106
3.3.2 Prezzo di acquisto e valore residuo 108
3.3.3 Quota interessi sul capitale impiegato 113
3.3.4 Costo annuale di assicurazione e bollo 116
3.3.5 Costo per manutenzioni e riparazioni 119
3.3.6 Costo del carburante 122
3.3.7 Risultati finali 132
3.3.8 Un’estensione dell’analisi: alcune simulazioni 140
Capitolo 4. Osservazioni conclusive e prospettive future
1614.1 Risultati dell’analisi e prospettive future 161
4.2 Riflessioni conclusive sul Total Cost of Ownership 166
Bibliografia
173Siti consultati
175Introduzione
Negli ultimi anni una sempre maggiore attenzione è stata rivolta alla soluzione della cosiddetta “questione ambientale” ovvero alla ricerca di soluzioni atte a ridurre il livello di inquinamento atmosferico e terrestre che caratterizza il Nostro Pianeta. Uno dei principali responsabili delle pessime condizioni in cui versa l’ambiente è sicuramente il settore automotive, ovvero il settore dei trasporti, uno dei più importanti settori nell’ambito dell’economia globale. L’ampio uso che si è fatto di carburanti inquinanti come i combustibili fossili, infatti, ha provocato effetti dannosi sia sulla salute umana che sull’ambiente (si pensi al cosiddetto “effetto serra” il cui principale responsabile, ovvero l’anidride carbonica, è fra i primi componenti dei gas di scarico dei veicoli). Queste considerazioni, unite alla consapevolezza della scarsità dei combustibili fossili in natura e del loro prossimo inevitabile esaurimento, hanno stimolato gli sforzi degli studiosi verso la ricerca di nuove tipologie di combustibili da sostituire ai combustibili fossili e, di conseguenza, di nuove tipologie di veicoli “environmentally friendly”. A questo riguardo alcune proposte di “mobilità sostenibile” sono state l’elettrico e l’idrogeno, visti i loro benèfici impatti a livello ambientale. Rispetto a queste due soluzioni permangono, però, ostacoli e difficoltà a livello tecnologico. In particolare, per quel che riguarda l’utilizzo dell’idrogeno come combustibile, esistono una serie di problematiche legate al suo immagazzinamento e distribuzione che richiedono l’individuazione di un adeguato “vettore idrogeno” per il suo utilizzo a bordo dei veicoli. Vari studi hanno dimostrato che la migliore sostanza da utilizzare a questo scopo è, appunto, l’ammoniaca in quanto essa mantiene tutti i vantaggi ambientali dell’idrogeno riuscendo anche a superarne gli svantaggi. Gli studi passati e recenti sull’argomento hanno dimostrato che l’ipotesi di un utilizzo dell’ammoniaca come combustibile per autotrazione all’interno di motori a combustione interna e celle a combustibile è, non soltanto possibile e concretamente realizzabile, ma anche vantaggiosa per una serie di motivi. I principali dubbi in merito riguardano la forte tossicità dell’ammoniaca ma questa può essere facilmente affrontata con le tecnologie attualmente esistenti, oppure limitata immagazzinandola all’interno di ammine metallo
Se il suo utilizzo come combustibile è stato avallato dalla letteratura tecnico-ingegneristica sul tema, a livello di letteratura economica l’utilizzo dell’ammoniaca come combustibile per i veicoli non è, invece, ancora stato ancora affrontato. In particolare mancano in letteratura studi volti a valutare la fattibilità e la convenienza, da un punto di vista prettamente economico, dell’utilizzo dell’ammoniaca come combustibile per autotrazione. E’ proprio questa carenza di studi sull’argomento che ha fatto nascere l’esigenza di sviluppare il presente elaborato: un’analisi dei costi associati al possesso di un ipotetico veicolo alimentato ad ammoniaca ed il confronto con i costi relativi ad altre tipologie di veicoli più “tradizionali” già in commercio, in modo da valutare la convenienza e la competitività, da un punto di vista economico, dell’utilizzo dell’ammoniaca come combustibile per autotrazione.
Lo strumento che, a livello di tecniche di costing, verrà utilizzato in quest’analisi è quello del Total Cost of Ownership (TCO): una filosofia ed uno strumento di calcolo dei costi che cerca di andare al di là del semplice prezzo di acquisto per valutare tutti i costi che sorgono nel ciclo di vita di un prodotto. Cercheremo, quindi, di ricavare un costo
totale di possesso per l’utilizzatore finale in termini di costo chilometrico (€ / km) per
ognuna delle tipologie di motorizzazioni considerate: confrontando questi valori sarà possibile trarre alcune conclusioni in merito alla convenienza economica dell’utilizzo di un’ipotetica futura auto ad ammoniaca per un ipotetico soggetto utilizzatore rispetto alle alternative a disposizione sul mercato.
Il contributo dell’analisi svolta sarà, quindi, duplice: da una parte l’obiettivo sarà valutare la fattibilità e la convenienza economica dell’utilizzo dell’ammoniaca come combustibile per autotrazione e dall’altra sperimentare un’applicazione pratica della nota tecnica del TCO in un ambito parzialmente nuovo (settore automotive) per riscontrarne ed apprezzarne ulteriormente l’utilità ed i limiti e, per quanto possibile, fornire nuovi spunti di riflessione sul tema.
Le conclusioni dell’analisi svolta possono essere brevemente riassunte nel modo seguente: in base alle nostre ipotesi l’utilizzo dell’ammoniaca per autotrazione appare ad oggi in linea di massima non conveniente da un punto di vista economico per il consumatore finale rispetto alle altre motorizzazioni disponibili sul mercato. Ciò è dovuto, in particolare, agli elevati costi associati alla componente “veicolo” sia in
termini di prezzo di acquisto iniziale che di interventi di manutenzione successivi, causati dalla particolare aggressività chimica e tossicità dell’ammoniaca, e solo parzialmente compensati da un risparmio sul costo del carburante. Tuttavia l’utilizzo dell’ammoniaca prodotta da gas naturale come combustibile per autotrazione risulta quantomeno fattibile da un punto di vista economico negli anni a venire (poiché almeno paragonabile alla situazione attuale del mercato automotive), soprattutto nell’ottica di un intervento incentivante da parte del legislatore finalizzato alla riduzione degli impatti ambientali del parco circolante. Addirittura, per chilometraggi annuali superiori ai 26.000 km circa, l’ammoniaca risulta ancor più conveniente della benzina.
Per quanto riguarda la sperimentazione pratica dell’utilizzo dello strumento del Total
Cost of Ownership (TCO) possiamo anticipare che, anche attraverso l’applicazione dello
strumento del TCO ad un ambito nuovo (ovvero al settore automotive), in una prospettiva diversa da quella usuale (ovvero nella prospettiva dell’utilizzatore finale privato del veicolo) e per un prodotto ancora inesistente (in modo da valutarne la convenienza di un’ipotetica futura introduzione sul mercato), appaiono confermati tutti i principali vantaggi, potenzialità, barriere e limiti già evidenziati dalla letteratura economica in merito.
Trattandosi di un’analisi economica “a preventivo”, ossia di un’analisi dei costi di un prodotto innovativo ancora inesistente, questo lavoro sconta tutti i limiti legati alla carenza di dati oggettivi ed attendibili a cui far riferimento. La maggior parte dei valori, soprattutto in merito all’auto ad ammoniaca, sono il risultato di stime soggettive ed ipotetiche benché basate in parte sulla realtà attuale ed in parte sulle conoscenze tecnico-ingegneristiche disponibili sull’argomento. Si tratta, quindi, di risultati verosimili ma che non possono essere considerati certi ed oggettivi anche perché frutto di un’analisi teorica limitata ad un determinato contesto spazio-temporale e basata su specifiche ipotesi in merito al tipo di veicoli ed al soggetto utilizzatore: risultati parziali ed approssimativi ma comunque indicativi di quello che appare essere il futuro più probabile dell’auto ad ammoniaca.
La struttura del lavoro è la seguente:
• nel Capitolo 1 si gettano le basi tecnico-ingegneristiche legate all’utilizzo dell’ammoniaca come combustibile per autotrazione ovvero si trattano tutti gli
aspetti riguardanti i principali vantaggi e svantaggi legati a questo utilizzo, i possibili processi di sintesi della stessa, una breve panoramica storica degli studi su questo argomento, le principali applicazioni prototipali esistenti e un breve confronto fra l’ammoniaca ed i combustibili alternativi (benzina, diesel, metano, GPL e idrogeno);
• nel Capitolo 2 ci si concentra sull’impostazione e sui presupposti teorici dell’analisi economica ovvero si fornisce un approfondimento teorico sul concetto di “Total Cost of Ownership” e sulle sue principali applicazioni e si presenta approfonditamente la metodologia utilizzata per la nostra analisi, in particolare le ipotesi di base e la formula di calcolo del TCO chilometrico dei veicoli;
• nel Capitolo 3 si presenta la vera e propria analisi economica dei costi totali di
possesso delle quattro tipologie di alimentazioni tradizionali, ovvero benzina,
diesel, GPL e metano, e dell’ipotetica auto ad ammoniaca: dal confronto fra questi valori sono tratte alcune conclusioni in merito alla convenienza e competitività economica dell’utilizzo dell’ammoniaca come combustibile per autotrazione. Il paragrafo finale estende l’analisi valutando come una variazione delle ipotesi iniziali avrebbe potuto modificare i valori di TCO dei vari veicoli e quindi le conclusioni in merito alla convenienza economica dell’ammoniaca rispetto alla situazione di mercato;
• nel Capitolo 4 si riassumono le principali conclusioni ricavate dall’analisi dei dati e si fornisce qualche spunto in merito alle prospettive future ipotizzabili sull’argomento. Si presenta, inoltre, un breve approfondimento su potenzialità e limiti del Total Cost of Ownership emersi dall’applicazione di questo strumento di costing nell’ambito dell’analisi economica svolta.
Capitolo 1. L’utilizzo dell’ammoniaca come combustibile
per autotrazione: aspetti tecnico-ingegneristici
1.1 Premessa
Il settore automotive riveste un ruolo fondamentale all’interno dell’economia mondiale: solo nel 2014 sono state prodotte 67.530.621 automobili e 22.203.607 veicoli commerciali in tutto il mondo, per un totale di quasi 90 milioni di veicoli a motore prodotti a livello worldwide (ossia il 2,8% in più rispetto al 2013) 1.
Negli ultimi anni gli studi in questo settore si sono concentrati sullo sviluppo di una “mobilità sostenibile”, ossia di soluzioni che permettano, in campo veicolistico, una riduzione delle emissioni di sostanze inquinanti e di gas effetto serra come l’anidride carbonica (CO2) 2, principali cause dei cambiamenti climatici globali e del cosiddetto
“effetto serra”.
In particolare l’ampio uso che si è fatto, soprattutto nel settore automotive, di sostanze inquinanti come i combustibili fossili (in particolare petrolio e gas naturale) ha provocato effetti dannosi sia sulla salute umana che sull’ambiente 3. A livello globale, infatti, il 23% circa delle emissioni di CO2 proviene proprio dai gas di scarico delle
autovetture generati dalla combustione di combustibili fossili come la benzina e il gasolio 4. Oltre a questo è ormai diffusa in tutto il mondo la consapevolezza della scarsità di questi elementi in natura e del loro inevitabile esaurimento.
1 Organisation Internationale des Constructeurs d’Automobiles (OICA), 2015, http://www.oica.net/category/production-statistics/2014-statistics/ (sito consultato l’ 8 ottobre
2015).
2 L’anidride carbonica (diossido di carbonio) è un ossido acido formato da un atomo di
carbonio legato a due atomi di ossigeno. E’ uno dei principali gas serra presenti nell’atmosfera terrestre. La combustione dei combustibili fossili e la deforestazione sono considerate le principali cause dell’aumento della concentrazione atmosferica di questo gas negli utili anni. Cfr. Anidride carbonica, Wikipedia, https://it.wikipedia.org/wiki/Anidride_carbonica (sito consultato il 15 ottobre 2015).
3 KAMPA M., CASTANAS E., Environ Pollut, n. 151, 2008, pp.362-367.
4 RONG LAN, JOHN T.S. IRVINE, SHANWEN TAO, Int J Hydrogen Energ, n.37,
Questi sono solo alcuni dei principali motivi per cui oggi si stanno intensificando gli sforzi degli studiosi nella ricerca di nuove tipologie di combustibili da sostituire ai combustibili fossili e di nuove tipologie di veicoli “environmentally friendly” 5.
1.2 Le alternative: l’elettrico e l’idrogeno
Una valida alternativa ai veicoli convenzionali dotati di motori a combustione interna alimentati da combustibili fossili è rappresentata dai veicoli elettrici. Essi, infatti, offrono la possibilità di ridurre le emissioni di sostanze inquinanti e di anidride carbonica, nonché l’inquinamento acustico (visto che le auto elettriche sono molto silenziose, rispetto a quelle a benzina). Ad oggi, però, il grande svantaggio di questa tipologia di veicoli è rappresentato dalla limitata capacità energetica delle batterie e dalla conseguente ridotta autonomia di guida rispetto ad un veicolo tradizionale, ai quali si aggiunge un prezzo di acquisto decisamente non trascurabile 6.
Questi sono i principali drawbacks che ad oggi limitano l’attrattività dell’auto elettrica presso gli utilizzatori finali e la sua competitività rispetto ai veicoli tradizionali.
In un’ottica di riduzione delle emissioni di gas effetto serra e della dipendenza dai combustibili fossili, un’altra soluzione oggetto di numerosi studi in questi anni è rappresentata dall’utilizzo dell’idrogeno (H2)7. L’interesse verso questo gas, spesso
considerato un promettente combustibile ed un valido vettore energetico, ha portato
5 Altri importanti motivi da tenere in considerazione sono: la sempre maggiore domanda
di energia a causa dello sviluppo economico delle nazioni emergenti e gli elevati prezzi del petrolio. La domanda totale di energia nel 2010 è stata di 5x1020 J, di cui il 20% circa è stata utilizzata per i trasporti. Cfr. KOIKE M., MIYAGAWA H., SUZUOKI T., OGASAWARA K.,
Ammonia as a hydrogen energy carrier and its application to internal combustion engines,
Sustainable Vehicle Technologies: Driving the Green Agenda, 2012, pp. 61-70.
6 Un elenco aggiornato delle auto elettriche in commercio nel 2015 è consultabile al sito
Tuttogreen, http://www.tuttogreen.it/auto-elettriche-2015-il-listino-completo/ (sito consultato l’8 ottobre 2015). A titolo di esempio si possono citare i seguenti modelli: E-Up di Volkswagen (autonomia di 160km – prezzo 27.000€), E-Golf di Volkswagen (autonomia di 190km – prezzo 37.000€), Soul EV di Kia (autonomia di 200km – prezzo 36.000€), Nissan Leaf (autonomia di 199km – prezzo da 25.490€ a 36.590€), Smart fortwo electric drive (autonomia di 145km – prezzo 25.701€). Come termine di paragone si consideri che un’auto alimentata a benzina ha un’autonomia di almeno 600km.
7 L’idrogeno è formato da una molecola biatomica (H
2): a pressione atmosferica e a
temperatura ambiente è un gas incolore, inodore, insapore ed altamente infiammabile. E’ l'elemento più leggero e più abbondante di tutto l'universo osservabile. Cfr. Idrogeno, Wikipedia, https://it.wikipedia.org/wiki/Idrogeno (sito consultato il 15 ottobre 2015).
addirittura alcuni studiosi a paventare l’ipotesi di un passaggio verso una vera e propria “economia a idrogeno” 8.
I principali vantaggi di un’economia basata sull’idrogeno sarebbero:
-‐ una riduzione dell’impatto ambientale, in quanto il suo utilizzo come combustibile provocherebbe unicamente l’emissione di vapore acqueo (H2O),
eliminando quindi i problemi legati all’effetto serra e al surriscaldamento globale, e di una modesta quantità di ossidi di azoto (NOx), quest’ultimi
facilmente eliminabili grazie all’adozione di normali catalizzatori reperibili in commercio;
-‐ un miglioramento dell’efficienza energetica, in quanto esso costituisce il miglior combustibile per le cosiddette celle a combustibile (fuel cells, FC), le quali costituiscono sistemi di alimentazione dei veicoli dotate di una maggiore efficienza energetica rispetto ai tradizionali motori a combustione interna
(internal combustion engines, ICE) 9;
-‐ la fine di una secolare dipendenza dai combustibili fossili, visto che l’idrogeno può essere prodotto, oltreché da queste sostanze disponibili in quantità limitate, anche da energie rinnovabili ed energia atomica.
Oggi la maggior parte dell’idrogeno esistente è prodotto attraverso il processo di steam
reforming di gas naturale: processo che consiste nel far reagire metano (CH4) 10 e
8 Sull’argomento si veda: CHRISTENSEN C.H., JOHANNESSEN T., SORENSEN
R.Z., NORSKOV J. K., Catal Today, n.111, 2006, pp.140-144 e THOMAS G., PARKS G., U.S. Department of Energy, Potential Roles of Ammonia in a Hydrogen Economy. A Study of Issues
Related to the Use Ammonia for On-Board Vehicular Hydrogen Storage, 2006, Washington
DC, U.S. Department of Energy. Disponibile online al sito: http://www.hydrogen.energy.gov/pdfs/nh3_paper.pdf .
9 Le fuel-cells (FC) o celle a combustibile sono dispositivi elettrochimici che
permettono di generare elettricità direttamente da certe sostanze, tipicamente idrogeno ed ossigeno, senza che avvenga alcun processo di combustione termica. Per un approfondimento: Fuel cell, Wikipedia, https://en.wikipedia.org/wiki/Fuel_cell (sito consultato l’8 ottobre 2015). Gli internal combustion engines (ICE) o motori a combustione interna costituiscono il tradizionale sistema di alimentazione dei veicoli convenzionali. Un ICE è una macchina motrice endotermica che permette di convertire l’energia chimica posseduta da una miscela aria-combustibile (benzina, diesel, metano, gpl ecc.) in lavoro meccanico reso disponibile all’albero motore ed al sistema di trasmissione. Per un approfondimento: Internal combustion engines, Wikipedia, https://en.wikipedia.org/wiki /Internal_combustion_engine.
10 Il metano è un idrocarburo semplice formato da un atomo di carbonio e quattro di
idrogeno, presente in natura sotto forma di gas. Anch’esso è un gas serra ma è presente in concentrazioni molto inferiori a quelle dell’anidride carbonica, pur avendo un potenziali di
vapore acqueo (H2O) a temperature molto elevate, per decomporre il metano ed ottenere
idrogeno e monossido di carbonio (CO). Questo metodo ha lo svantaggio di produrre un gas effetto serra come sottoprodotto della sintesi dell’idrogeno.
Un’alternativa è rappresentata dal processo di reforming di biomasse, al quale corrisponde un livello di emissioni di CO2 molto più basso.
Altra possibilità è la produzione di idrogeno tramite elettrolisi di acqua o vapore: questo processo utilizza esclusivamente acqua ed energia elettrica per produrre idrogeno ed ossigeno, per cui se l’energia elettrica usata proviene da fonti rinnovabili come vento, sole o acqua, non si genera alcuna emissione di CO2.
Esistono inoltre una serie di altri processi carbon-free, le cui tecnologie devono però essere ulteriormente sviluppate per raggiungere un livello di costi competitivo 11.
Nonostante questi innegabili vantaggi, è ad oggi ancora impensabile l’implementazione di un’economia globale basata sull’idrogeno a causa di una serie di problematiche legate al suo stoccaggio, distribuzione e trattamento.
Innanzitutto l’idrogeno (H2) è un gas biatomico la cui liquefazione è difficile in quanto
può avvenire solo a temperature molto basse (-235°C) e a pressioni elevatissime (700 bar, ovvero il peso di una colonna d’acqua di 7 km). Inoltre è caratterizzato da una
densità energetica 12 molto bassa sia in fase gassosa che liquida rispetto ai combustibili tradizionalmente usati nei trasporti 13. Di conseguenza per immagazzinarne una quantità tale da garantire un’autonomia accettabile per i veicoli, servono contenitori con ingombri eccessivi e costi molto elevati, il che rende alquanto difficoltoso il suo utilizzo a bordo di unità mobili.
A questi elementi dobbiamo aggiungere tutti i problemi legati alla sicurezza nel suo uso: si tratta, infatti, di un gas altamente infiammabile in quanto dotato di un punto di riscaldamento globale di ben 21 volte superiore. Cfr. Metano, Wikipedia,
https://it.wikipedia.org/wiki/Metano (sito consultato il 15 ottobre 2015).
11 Si veda: RONG LAN, JOHN T.S. IRVINE, SHANWEN TAO, Int J Hydrogen Energ,
n.37, 2012, pp.1482 – 1494.
12 “La densità energetica è la quantità di energia immagazzinata in un dato sistema o
regione dello spazio per unità di volume”. Definizione tratta da: Densità energetica, Wikipedia,
https://it.wikipedia.org/wiki/Densità_energetica (sito consultato il 10 ottobre 2015).
13 Rispetto alla benzina, la densità energetica dell’idrogeno è di quattro volte inferiore se
stoccato in forma liquida a -235°C e di ben sedici volte inferiore se stoccato a 25°C e 200 bar di pressione. Si pensi, infatti, che in fase gassosa un quantitativo di 60 litri di idrogeno compresso a 200 bar ha lo stesso contenuto energetico di solo 3 litri di benzina. Cfr. ZAMFIRESCU C., DINCER I., J Power Sources, n.185, 2008, pp.459-465.
innesco molto basso, con elevato rischio di esplosione, volatile, difficile da contenere, con fuochi invisibili e che tende ad esplodere nell’aria.
Inoltre, anche a causa di queste problematiche di sicurezza, sarebbero necessari investimenti proibitivi per creare un’infrastruttura di trasporto e distribuzione dell’idrogeno come combustibile, ad oggi ancora inesistente 14.
Infine, come già accennato, ad oggi il 90% dell’idrogeno è prodotto attraverso il processo di steam reforming di gas naturale il quale è altamente inquinante (in quanto produce un livello elevato di emissioni di monossido di carbonio).
Quindi l’implementazione di una “economia a idrogeno” non sarà possibile finché non saranno risolte tutte queste problematiche legate al suo immagazzinamento e distribuzione, ossia fin quando non verrà individuato un adeguato mezzo per il suo stoccaggio e trasporto.
1.3 I vettori idrogeno e l’ammoniaca
Una possibile soluzione per immagazzinare a bordo di un veicolo una quantità energeticamente accettabile di idrogeno è offerta dai cosiddetti “vettori idrogeno”. Gli studi in questo ambito sono molto importanti in quanto, come specificato nel paragrafo precedente, ad oggi la creazione di una vera e propria infrastruttura di distribuzione dell’idrogeno è una strada non percorribile a causa di una serie di problematiche legate a:
• sicurezza (è un gas molto volative, difficile da contenere e con un alto rischio di esplosione);
• densità energetica (così bassa da richiedere serbatoi enormi e molto costosi per le necessità di autonomia dei veicoli);
• elevati costi di investimento richiesti per la sua realizzazione.
14 Il trasporto dell’ idrogeno tramite un sistema di tubazioni sarebbe il metodo più
efficiente, ma visti gli elevati investimenti di capitale richiesti è improbabile che questo metodo venga utilizzato nei primi tempi di transizione verso un’economia ad idrogeno. Altre opzioni utilizzabili sono: camion o treni con idrogeno compresso, serbatoi di idrogeno liquido, produzione distribuita, vettori idrogeno. Per approfondimenti: THOMAS G., PARKS G., U.S. Department of Energy, Potential Roles of Ammonia in a Hydrogen Economy. A Study of Issues
Related to the Use Ammonia for On-Board Vehicular Hydrogen Storage, 2006, Washington
DC, U.S. Department of Energy. Disponibile online al sito:
Per questi tre ordini di motivi gli studiosi si stanno concentrando sulla ricerca dei cosiddetti “vettori idrogeno”, ovvero materiali diversi dall’idrogeno che possono essere facilmente e convenientemente utilizzati per trasportarlo ed immagazzinarlo. In particolare è richiesto che la trasformazione necessaria per riottenere idrogeno dal vettore sia semplice, consumi poca energia e costi poco.
Il perfetto vettore idrogeno dovrebbe, quindi: -‐ essere meno costoso dell’idrogeno stesso;
-‐ essere sicuro (ovvero avere una bassa tossicità e un basso rischio di esplosione); -‐ avere un’alta densità di idrogeno e di energia;
-‐ essere perfettamente riciclabile o disponibile in quantità illimitata; -‐ essere non inquinante 15.
Una sostanza che rispetta quasi tutti questi criteri è l’ammoniaca (NH3) in quanto, come
verrà specificato più avanti, può essere prodotta in grandi quantità con un costo relativamente basso, è disponibile in grandi quantità, può essere trasportata efficientemente attraverso un’infrastruttura mondiale esistente, può essere facilmente decomposta in idrogeno e azoto senza alcuna emissione di anidride carbonica. L’unico svantaggio relativo a questo gas è la sua tossicità, ma questa può essere facilmente affrontata con le tecnologie attualmente esistenti, oppure limitata immagazzinando l’ammoniaca all’interno di ammine metallo porose complesse 16.
1.3.1 I vantaggi dell’ammoniaca
L’ammoniaca, con il suo alto quantitativo di idrogeno per unità di massa e di volume, può essere considerata un valido vettore per lo stoccaggio ed il trasporto dell’idrogeno e
15 A questo riguardo l’US DOE (Department Of Energy) ha stabilito nel 2009 i target
specifici per i materiali di stoccaggio dell’idrogeno nei veicoli. Per dettagli si veda: US Department of Energy, Office of Energy Efficiency and Renewable Energy,
http://www1.eere.energy.gov/hydrogenandfuelcells/storage/pdfs/targets_onboard_hydro_storag e_explanation.pdf (sito consultato il 13 ottobre 2015).
16 Come verrà specificato più avanti, le ammine metallo sono sali solidi in cui
l’ammoniaca è legata ad uno ione metallo. Di recente sono state proposte come vettore idrogeno alternativo sicuro, reversibile, con un elevato contenuto energetico e a basso costo. Cfr. CHRISTENSEN C.H., JOHANNESSEN T., SORENSEN R.Z., NORSKOV J. K., Catal Today, n.111, 2006, pp.140-144.
quindi una valida soluzione per la transizione verso un’economia a idrogeno. L’ammoniaca liquida, infatti, contiene in termini di volume 1,77 volte più idrogeno dello stesso idrogeno liquido ed inoltre presenta un contenuto di idrogeno del 17.8% in massa: ciò significa che 1m3 di NH3 liquida a 20°C e 8.6 bar di pressione contiene 108
kg di idrogeno 17.
L’alta concentrazione di idrogeno è solo uno dei motivi che ha fatto rinascere negli ultimi anni negli studiosi l’interesse nel considerare e studiare l’ammoniaca come un combustibile alternativo per autotrazione (sia all’interno di motori a combustione interna che in celle a combustibile).
L’ammoniaca è un composto dell’azoto di formula chimica NH3 che a temperatura
ambiente si presenta come un gas incolore, tossico, dall’odore pungente caratteristico e molto solubile in acqua.
Il suo stoccaggio, e di conseguenza il utilizzo come combustibile o vettore energetico, presentano numerosi vantaggi rispetto all’idrogeno, fra cui i principali sono elencati di seguito:
- il suo stoccaggio è facile e non costoso in quanto l’ammoniaca è facilmente liquefacibile a temperatura ambiente e basse pressioni (8 atm ≅ 9 bar), come il GPL (Gas di Petrolio Liquefatto, una miscela composta principalmente da propano e butano liquefatti mediante compressione), per cui per il suo immagazzinamento è possibile utilizzare serbatoi non eccessivamente costosi 18; - è caratterizzata da una densità energetica ragionevole, inferiore rispetto a quella
di benzina e diesel ma superiore rispetto all’idrogeno: un serbatoio di ammoniaca trasporta circa 2.5 volte l’energia di uno stesso serbatoio di idrogeno di pari volume 19;
17 Dati tratti da: COMOTTI M., FRIGO S., Int J Hydrogen Energ, n.40, 2015,
pp.10673-10686.
18 Esistono diversi metodi per lo stoccaggio dell’ammoniaca. In forma liquida può
essere immagazzinata all’interno di serbatoi simili a quelli utilizzati per il GPL, ovvero in contenitori di acciaio o materiali che ne mitigano odore e tossicità. Tuttavia per facilitarne il trasporto e ridurne la tossicità è preferibile stoccarla in forme solide, per esempio all’interno di ammine metallo porose complesse che, se scaldate, rilasciano ammoniaca. Cfr. RONG LAN, JOHN T.S. IRVINE, SHANWEN TAO, Int J Hydrogen Energ, n.37, 2012, pp.1482 – 1494.
19 Dal punto di vista energetico un serbatoio da 70 litri di benzina equivale ad un
serbatoio di idrogeno da 770 litri e 530 kg e di ammoniaca da 315 litri e 172 kg. Dati tratti da: KOIKE M., MIYAGAWA H., SUZUOKI T., OGASAWARA K., Ammonia as a hydrogen
energy carrier and its application to internal combustion engines, Sustainable Vehicle
- come conseguenza dei due punti precedenti deriva la facilità dello stoccaggio a bordo di unità mobili come i veicoli in quanto per immagazzinarne una quantità tale da garantire un’autonomia accettabile per i veicoli, bastano serbatoi piccoli e poco costosi;
- è una sostanza “carbon-free” ovvero non contiene atomi di carbonio, e la sua combustione è del tutto paragonabile a quella dell’idrogeno in quanto non produce emissioni di anidride carbonica (CO2), principale responsabile
dell’effetto serra: al contrario la sua combustione produce unicamente azoto (N2)20, vapor d’acqua (H2O) ed ossidi di azoto (NOx), quest’ultimi facilmente
riducibili con l’uso di un normale catalizzatore;
- i problemi legati alla sicurezza nel suo uso sono sicuramente minori rispetto all’idrogeno in quanto essa è poco infiammabile, ha un basso rischio di esplosione, è più leggera dell’aria per cui si disperde rapidamente in aria ed inoltre anche la sua tossicità è controllabile poiché qualsiasi perdita si percepisce facilmente per il suo odore caratteristico: si dice che è “self-alarming”;
- la sua produzione a livello industriale con il Processo Haber-Bosch (ovvero a partire da gas naturale) è ormai ampiamente conosciuta e sviluppata e la sua commercializzazione avviene in tutto il mondo grazie ad una rete di distribuzione globale esistente per un quantitativo di 100-130 tonnellate all’anno in tutto il mondo;
- lunga esperienza (circa un secolo) di facile produzione, manipolazione, stoccaggio e trasporto;
- alta disponibilità e vitalità commerciale;
- può essere prodotta, oltreché da combustibili fossili di vario tipo (carbone, petrolio, gas naturale), anche da fonti energetiche rinnovabili come sole, acqua, vento, energia geotermica e quindi senza produrre alcuna emissione di CO2: in
questo caso si ottengono veri e propri veicoli a zero emissioni;
- può costituire un sistema di accumulo di energie rinnovabili in forma concentrata e trasportabile;
20 L’azoto molecolare è un composto formato da due atomi di azoto che costituisce il
78% dell’atmosfera terrestre. Allo stato puro si presenta sotto forma di gas incolore, inodore e insapore. Cfr. Azoto, Wikipedia, https://it.wikipedia.org/wiki/Azoto (sito consultato il 15 ottobre 2015).
- è completamente riciclabile in quanto viene sintetizzata a partire da acqua ed azoto (sostanze ampiamente disponibili in natura) e la sua ossidazione riproduce esattamente le stesse quantità di queste sostanze;
- può essere utilizzata convenientemente come combustibile in tutte le tipologie di motori utilizzando un appropriato sistema di alimentazione del motore: innanzitutto ha un elevato numero di ottano (110-130) 21 per cui è ottima per i motori a combustione interna (ICE) ad accensione comandata, ma può anche essere scissa termicamente producendo idrogeno per l’alimentazione delle celle a combustibile (FC) (usando solo il 16% della sua energia) 22.
I numerosi vantaggi elencati consentono di configurare l’ammoniaca come una valida alternativa, sia come vettore energetico che come carburante per i veicoli, ai combustibili fossili: un liquido che occupa poco volume, immagazzinabile a volontà per tempi lunghi, commercializzabile in tutto il mondo e ritrasformabile in lavoro meccanico o elettricità attraverso la sua combustione in motori, turbine o celle a combustibile.
1.3.2 Gli svantaggi dell’ammoniaca
A fronte dei vantaggi sopra citati, l’utilizzo dell’ammoniaca come combustibile per autotrazione presenta però anche alcuni inconvenienti, in quanto:
- si tratta di un prodotto chimico tossico e mortale,23 ma la cui tossicità può essere facilmente affrontata tramite immagazzinamento all’interno di ammine metallo solide complesse;
21 Il numero di ottano è un indice di resistenza alla detonazione di qualsiasi carburante.
Esso influisce sulla velocità di combustione e sul controllo della combustione: maggiore è la resistenza alla detonazione, infatti, e migliore è il lavoro che il carburante è in grado di effettuare all’interno di un cilindro. La scala dei valori varia da 0 a oltre 100: la benzina, ad esempio, ha un numero di ottano di circa 95. Cfr. Numero di ottano, Wikipedia,
https://it.wikipedia.org/wiki/Numero_di_ottano (sito consultato il 15 ottobre 2015). 22 ZAMFIRESCU C., DINCER I., Fuel Process Technol, n.90, 2009, pp.729-737. 23 L’OSHA (Occupational Safety & Health Administration) è l’organismo che negli
Stati Uniti stabilisce i limiti di esposizione dei lavoratori a prodotti chimici potenzialmente tossici. Il limite di esposizione stabilito per l’ammoniaca è di 25 parti di ammoniaca per un milione di parti di aria (ppm) in media in una giornata lavorativa di 8 ore, e di 35 ppm in un’esposizione di soli 15 minuti. Dati ottenuti da: Agency for Toxic Substances & Disease
- la sua combustione produce emissioni di ossidi di azoto (NOx) che, però, sono
facilmente abbattibili con un normale reattore catalitico;
- a parte l’alto numero di ottano, è dotata di caratteristiche di combustione non ottimali, per cui ha bisogno di un combustibile pilota che funga da promotore di combustione.
In particolare è opportuno soffermarci sull’ultimo punto, ovvero sulle caratteristiche dell’ammoniaca quando viene utilizzata come combustibile in motori a combustione interna. E’ noto che l’ammoniaca può essere usata come combustibile in motori a combustione interna (ICE) sia di tipo compression-ignition (CI) che spark-ignition (SI)24. Tuttavia a causa della sua bassa velocità laminare di propagazione di fiamma, alta energia di innesco e auto innesco, bassa temperatura di fiamma e stretto intervallo d’infiammabilità, l’ammoniaca non può essere bruciata tal quale in un ICE per cui è opportuno aggiungere un “catalizzatore o promotore di combustione” per supportare e velocizzare la combustione.
Tra i vari combustibili tradizionali che possono essere utilizzati come promotore il migliore è proprio l’idrogeno e questo per tre ordini di motivi:
1. ha caratteristiche di combustione opposte e complementari rispetto all’ammoniaca (alta velocità laminare di fiamma, bassa energia d’innesco ed ampio intervallo d’infiammabilità);
2. la sua combustione non produce anidride carbonica (CO2) o altre sostanze
inquinanti;
3. può essere prodotto direttamente dall’ammoniaca immagazzinata nel veicolo attraverso un opportuno reattore catalitico che può essere facilmente collocato a bordo del veicolo e che può utilizzare, come fonte di calore per il cracking Registry, Ammonia, http://www.atsdr.cdc.gov/toxfaqs/TF.asp?id=10&tid=2 (sito consultato il 10 ottobre 2015).
24 Esistono, infatti, due tipologie di motori a combustione interna (ICE): i compression-ignition engines (CI, ovvero motori diesel) e gli spark-compression-ignition engines (SI, ovvero motori a
benzina). La differenza fra le due tipologie di motori sta nel tipo di accensione che li caratterizza: nei motori CI l’accensione del combustibile avviene grazie all’alta temperatura che si ottiene dalla compressione dell’aria nella camera di combustione del motore; nei motori SI, invece, l’accensione del combustibile si ottiene grazie alla scintilla (in inglese detta, appunto,
spark) prodotta da una candela. Per un approfondimento si veda: Diesel engine, Wikipedia,
https://en.wikipedia.org/wiki/Diesel _engine ; Spark-ignition engine, Wikipedia,
https://en.wikipedia.org/wiki/Spark-ignition_engine (siti consultati l’8ottobre2015).
termico dell’ammoniaca, proprio i gas di scarico del motore (o il calore prodotto da alcuni elementi elettrici riscaldanti durante l’avvio a freddo) 25.
E’ stato, infatti, dimostrato che aggiungendo una piccola quantità di idrogeno alla miscela aria-ammoniaca (circa l’1% in massa e l’8% in volume) si riesce a velocizzare la combustione ottenendo un funzionamento soddisfacente del motore 26.
In tabella 1.1 si riporta un confronto tra le caratteristiche di combustione dell’ammoniaca e di quelle della benzina e dell’idrogeno.
Proprietà Ammoniaca Idrogeno Benzina
Potere calorifico inferiore [MJ/Kg] 18,8 120 44,5
Limiti di infiammabilità, gas in aria [vol.%] 15-28 4,7-75 0,6-8
Velocità laminare di fiamma [m/s] 0,015 3,51 0,58
Temperatura di auto innesco [°C] 651 571 230
Minima energia assoluta di innesco [mJ] 8 0,018 0,14
Numero di ottano [RON] > 130 > 100 90-98
Densità, 25 °C, 1 bar [g/L] 0,703 0,082 740
Stechiometria (aria/combustibile) [mass] 6,04 34,3 ~ 14,5
Contenuto energetico, miscela stechiometrica [MJ/Kg] 2,8 3,3 2,7
Fonte: FRIGO S., GENTILI R., DOVERI N., SAE Technical Papers, Vol. 4, 2012
1.3.3 I processi di sintesi dell’ammoniaca
Oggi l’85% circa della produzione mondiale di ammoniaca si basa sullo steam
reforming di gas naturale ed avviene per mezzo del noto processo Haber-Bosch,
processo ad alta intensità di energia e di risorse.
Si tratta di un metodo che avviene in fase gassosa a 300-500°C e 200-350 bar di pressione e che permette una sintesi industriale di ammoniaca su larga scala utilizzando come reagenti idrogeno (H2) e azoto (N2). In particolare si fa reagire l’idrogeno
25 Per uno studio di un Sistema di Generazione di Idrogeno (Hydrogen Generation
System – HGS) capace di fornire fino a 1.4Nm3h-1 di idrogeno dall’ammoniaca si veda:
COMOTTI M., FRIGO S., Int J Hydrogen Energ, n.40, 2015, pp.10673-10686.
26 COMOTTI M., FRIGO S., Int J Hydrogen Energ, n.40, 2015, pp.10673-10686.
proveniente da steam reforming del metano e l’azoto estratto dall’aria utilizzando un catalizzatore a base di ferro, secondo la reazione:
N2 + 3 H2 → 2 NH3 (ΔH = −92.4 kJ·mol-1) .
Nel 2010 questo processo ha consentito la produzione di 159 milioni di tonnellate di NH3 in tutto il mondo. Gli attuali impianti producono circa 1000-1500 ton al giorno di
ammoniaca ma nuovi impianti possono arrivare a produrre fino a 3000 t al giorno. Dal punto di vista storico le origini di questo processo risalgono agli inizi del XX secolo: venne inventato nel 1910 dai chimici tedeschi Fritz Haber e Carl Bosch e fu utilizzato per la prima volta su scala industriale in Germania durante la prima guerra mondiale per la produzione di esplosivi, in modo da compensare il blocco delle importazioni di nitrato di sodio dal Cile. Successivamente questa invenzione valse un premio Nobel sia per Haber (1918) che per Bosch (1931). 27
L’efficienza energetica di questo processo è relativamente bassa: da quando è stato inventato si è passati da un consumo di 80 GJ di energia per tonnellata di ammoniaca prodotta ad uno di 28 GJ/ton, ma sono possibili ulteriori miglioramenti per portare il consumo energetico fino al livello minimo teorico necessario di 19,4 GJ/ton.
Si tratta, inoltre, di un processo molto inquinante in quanto utilizza come materia prima per ottenere l’idrogeno un combustibile fossile contenente carbonio come il metano (CH4), per cui produce un livello elevato di emissioni di anidride carbonica (CO2). Per
dare qualche cifra si pensi che il processo Haber-Bosch emette 1,56 ton CO2/ton NH3
ovvero emette 3 molecole di CO2 per ogni 8 molecole di NH3 prodotte e che la
produzione di ammoniaca è responsabile per 1 miliardo di tonnellate di emissioni di CO2 all’anno, ovvero quasi il 3% del totale 28.
Per affrontare questo aspetto, però, spesso gli impianti di produzione di ammoniaca (che producono come sottoprodotto l’anidride carbonica) vengono integrati con impianti di produzione di urea ( CO(NH2)2 ), i quali invece utilizzano la CO2 come materia prima:
in questo modo si evitano le emissioni inquinanti in quanto l’anidride carbonica viene
27 Per approfondimenti: Haber process, Wikipedia, https://en.wikipedia.org/wiki/Haber _process (sito consultato l’11 ottobre 2015).
28 Dati tratti da: A. Codegoni, Sarà l’ammoniaca da rinnovabili a cambiare il mondo
dello storage e dei carburanti?, QualEnergia. Ultimo aggiornamento 23-09-2013.
http://www.qualenergia.it/articoli/20130926-sarà-l-ammoniaca-da-rinnovabili-cambiare-il-mondo-dello-storage-e-dei-carburanti , (sito consultato l’11 ottobre 2015).
incanalata nella produzione di urea e quest’ultima emette, come sottoprodotto, solo acqua pulita. Di seguito si riportano le due reazioni chimiche necessarie per la sintesi dell’urea:
1. 2 NH3 + CO2 → H2N-COONH4
2. H2N-COONH4 → (NH2)2CO + H2O .
Esistono anche altri metodi sviluppati dagli studiosi per produrre ammoniaca da combustibili fossili con simultaneo sequestro di anidride carbonica, i quali contribuiscono a rendere il ciclo di vita dell’ammoniaca “CO2 neutrale” : utilizzando
queste tecniche, infatti, non solo si ottiene un combustibile carbon-free (ovvero che consente di eliminare le emissioni di gas effetto serra prodotte dai gas di scarico dei veicoli), ma si fa anche in modo che la sua stessa sintesi non emetta sostanze inquinanti nell’atmosfera 29.
L’inquinamento prodotto dalla sintesi dell’ammoniaca risulta comunque inferiore rispetto a quello derivante dalla sintesi dell’idrogeno: per produrre 1 kg di NH3 si
generano 1,32 kg di CO2 mentre per produrre 1 kg di H2 si generano 8 kg di CO2.
Come già anticipato l’ammoniaca può essere sintetizzata, oltreché da combustibili fossili, anche elettrochimicamente, biologicamente, organicamente, da fonti energetiche rinnovabili, da calore sprecato (come quello proveniente dai reattori nucleari) o anche recuperata da acque di scarico, rifiuti animali o pozzi geotermici 30.
In particolare una valida alternativa al processo Haber-Bosch è costituita dal processo di
elettrolisi dell’acqua che consiste nell’utilizzare energie rinnovabili come energia da
biomasse, eolica, solare, geotermica o idroelettrica per separare l’idrogeno dall’acqua e poi farlo reagire con l’azoto estratto dall’aria per ottenere ammoniaca. In questo caso, quindi, l’unico sottoprodotto della reazione è l’ossigeno, e non l’anidride carbonica: per questo si parla di produzione “green”. Come si intuisce, la seconda parte del processo coincide col processo Haber-Bosch, poiché la fondamentale differenza tra i due riguarda la prima fase di sintesi dell’idrogeno (che dovrà poi essere usato come materia prima per la sintesi dell’ammoniaca): in un caso viene ottenuto dal metano per steam
29 CHRISTENSEN C.H., JOHANNESSEN T., SORENSEN R.Z., NORSKOV J. K.,
Catal Today, n.111, 2006, pp.140-144
30 Si veda: RONG LAN, JOHN T.S. IRVINE, SHANWEN TAO, Int J Hydrogen
reforming con conseguente emissione di CO2, nell’altro dall’acqua per elettrolisi senza
alcuna emissione di CO2.
Infine, sempre nell’ambito dei processi “green”, un metodo innovativo e degno di nota è quello sviluppato da un gruppo di ingegneri chimici americani, riuniti nella società
NHThree: il «Solid State Ammonia Synthesis (SSAS)». Si tratta di un nuovo metodo di sintesi dell’ammoniaca efficiente e pulito che si sviluppa in un piccolo reattore alimentato da un lato con azoto estratto dall’aria e dall’altro con acqua. Le due parti sono separate da una membrana ceramica che consente il passaggio solo ai nuclei di idrogeno. Quest’ultimo, infatti, scaldato a 550°C ed eccitato da un campo elettrico, si separa dall’acqua e migra verso la sezione dell’azoto dove, grazie ad un catalizzatore, si combina con questo per formare ammoniaca. L’unico sottoprodotto è l’ossigeno (ecco quindi che si tratta di un altro processo environmentally friendly) e consuma solo 7500 kWh di elettricità per ogni tonnellata di NH3 prodotta 31.
1.3.4 Utilizzo dell’ammoniaca per autotrazione: breve panoramica storica
Se è vero che negli ultimi anni c’è un rinnovato interesse nel considerare l’ammoniaca un combustibile per autotrazione alternativo alla benzina, è anche vero che questo utilizzo non costituisce affatto una novità: in passato essa è stata, infatti, già utilizzata come combustibile in motori a combustione interna (ICE) e studiata come combustibile per celle a combustibile (FC).
Innanzitutto questa possibilità è stata dimostrata concretamente in Europa durante la Seconda Guerra Mondiale, quando l’ammoniaca venne utilizzata per alimentare una flotta di 100 autobus durante una carenza di combustibili fossili 32.
Inoltre esiste un brevetto italiano risalente al 1938 che attestava la possibilità di utilizzare una miscela di idrogeno, ammoniaca ed azoto per alimentare un motore a
31 NHThree, http://nhthree.com/ssas.html (sito consultato l’11 ottobre 2015). 32 KROCH E., J I Petrol, n.31, 1945, pp.213-223.
combustione interna 33. Un altro brevetto Fiat del 1931 di una macchina ad ammoniaca è citato da Stokes 34.
Holbrook ha menzionato l’esistenza di un primo camion alimentato ad ammoniaca già nel 1933 e più recentemente di un camion alimentato con una miscela composta per l’80% da ammoniaca e per il 20% da benzina.
Esistono inoltre studi risalenti al 1905 su motori a combustione interna alimentati ad ammoniaca mentre studi finalizzati a sviluppare celle a combustibile direttamente alimentate ad ammoniaca risalgono 1966 35.
Tuttavia è solo dagli anni ’60 che si è iniziato a discutere concretamente e seriamente sull’utilizzo dell’ammoniaca (da sola o con l’aggiunta di un combustibile pilota) come combustibile alternativo per motori a combustione interna, sia di tipo spark-ignition (SI) che compression-ignition (CI). 36
1.3.5 Le applicazioni: il progetto SAVIA e i primi prototipi
I veicoli elettrici, come anticipato all’inizio del capitolo, sembrano essere una valida alternativa ai veicoli tradizionali alimentati da motori a combustione interna in quanto offrono la possibilità di ridurre le emissioni di CO2 e l’inquinamento acustico. A fronte
di questi vantaggi, però, i veicoli elettrici presentano il grande svantaggio della limitata capacità delle batterie, la quale ne riduce l’autonomia di guida.
Una possibile soluzione a questo problema è quella di passare ad una propulsione di tipo ibrido serie (ossia ad un veicolo elettrico alimentato da batterie, a loro volta caricate da un generatore) utilizzando un “range extender” (un piccolo generatore di elettricità operante solo quando richiesto) composto da un motore a combustione interna o da una cella a combustibile che ricarichi le batterie del veicolo durante la guida.
33 ZAVKA M., Device for operating internal combustion engines with mixtures of ammonia, hydrogen and nitrogen prepared from ammonia. Patent # 2,140,254, Patented Dec.
13,1938.
34 STOKES K., Ammonia construction record and comments on ammonia fuel, Proc. Of
the Ammonia – Sustainable, Emission Free Fuel Conference, Oct. 15-16, San Francisco, CA, Iowa Energy Center. Pubblicato online al sito: http://www.energy.iastate.edu /renewable/ammonia/ammonia/ammoniaMtg07.htm. Questa, che è la fonte originaria, non è
però più disponibile.
35 CAIRNS E.J., SIMONS E.L., TEVEBAUCH A.D., Nature, n. 217, 1968, pp.780-781. 36 Per approfondimenti si veda: ZAMFIRESCU C., DINCER I., Fuel Process Technol,
Come range extender si può anche utilizzare un motore a combustione interna alimentato ad idrogeno, in modo da evitare le emissioni di gas effetto serra. Questo tipo di motore ha il vantaggio di essere poco costoso ma soffre, così come i veicoli elettrici, di una limitata autonomia di guida.
Una soluzione a cui si è pensato è, quindi, quella di stoccare l’idrogeno sotto forma di ammoniaca la quale, essendo liquida a temperatura ambiente ed 8 bar di pressione ed essendo caratterizzata da un’alta densità energetica, richiede serbatoi leggeri e a basso costo. Inoltre il rischio di esplosione di questa sostanza è molto basso e questo la rende ancora più adatta per l’utilizzo a bordo dei veicoli.
E’ a partire da questa idea che nel 2009 è nato il Progetto SAVIA (Sistema di
Alimentazione di Veicoli a Idrogeno e Ammoniaca) dalla collaborazione tra Regione
Toscana, Università di Pisa, Scuola Superiore Sant’Anna, Pont-Tech, EDI Progetti e Sviluppo, ACTA S.p.a. e Bigas International, per valutare la fattibilità dell’idea di stoccare l’idrogeno sotto forma di ammoniaca, visti i problemi relativi allo stoccaggio dell’idrogeno a bordo dei veicoli.
Il progetto aveva l’obiettivo di realizzare un veicolo elettrico ibrido ad autonomia estesa (ossia di tipo “range extended”) dove il motore a combustione interna da 15 kW, alimentato con ammoniaca liquida arricchita di circa il 10% di idrogeno (in volume), serviva solo a ricaricare le batterie del veicolo stesso.
L’ammoniaca era conservata all’interno di un serbatoio a temperatura ambiente e ad una pressione di circa 8 bar. Inoltre il flusso di idrogeno che è stato necessario aggiungere per velocizzare la combustione nel motore derivava da uno speciale catalizzatore (studiato e realizzato nell’ambito del progetto) montato a bordo del veicolo che decomponeva a livello termico l’ammoniaca utilizzando il calore prodotto dai gas di scarico.
Il veicolo scelto per l’ibridazione, su cui è stato montato il motore endotermico (ovvero il range extender), è un Effedi Gasolone 35 modello diesel ossia un furgoncino per la raccolta differenziata da 35 quintali: questo tipo di veicolo viene utilizzato spesso nei centri storici delle città italiane, dove i problemi relativi ai rumori e all’inquinamento sono molto sentiti. In particolare il vantaggio offerto dal veicolo ibrido ad autonomia estesa sviluppato nell’ambito del progetto è stato proprio quello di poter funzionare in modalità elettrica nei centri cittadini ed in modalità range extender una volta uscito da queste zone.
La tossicità dell’ammoniaca è un fattore che deve essere tenuto in estrema considerazione. Per monitorare le eventuali perdite o trafilamenti di ammoniaca dal sistema di alimentazione e stoccaggio, nonché dallo scarico del motore, è stato infatti sviluppato, sempre nell’ambito del progetto, un sistema di monitoraggio elettronico composto da tre sensori per rilevare eventuali perdite o concentrazioni eccessive di ammoniaca: uno nell’abitacolo per la sicurezza del conducente, uno vicino al serbatoio e al reattore catalitico, uno all’uscita del tubo di scarico (un sensore soglia con allarme settato a 100 ppm).
Il risultato che è emerso dalla sperimentazione è stato un sistema di tipo ZEV (“Zero Emission Vehicle”) ovvero un veicolo con propulsione ibrida ad emissioni zero: dalla combustione dell’ammoniaca si ottengono, infatti, solo vapore acqueo e ossidi di azoto (NOx), quest’ultimi abbattibili con sistemi catalitici tradizionali. Non si sono prodotte
emissioni di sostanze inquinanti come polveri sottili, idrocarburi, composti dello zolfo, monossido di carbonio o anidride carbonica. La presenza di ammoniaca nei gas di scarico, inoltre, non è stata rilevata dal sensore (per cui è stata inferiore a 100 ppm). 37
Dal punto di vista prestazionale questo veicolo è in grado di percorrere 100 km con 18 litri di ammoniaca (questa è la capienza massima del serbatoio), oltre ai 40 km in cui il veicolo può procedere in modalità solo elettrica. In un recente lavoro 38 è stato dimostrato che l’efficienza del motore alimentato con una miscela di ammoniaca e di idrogeno, quest’ultimo proveniente dallo speciale reattore catalitico utilizzato per il cracking termico dell’ammoniaca, è addirittura paragonabile a quella della versione originale a benzina.
Per realizzare questo veicolo si è partiti da una “base nota” (ovvero utilizzata nei veicoli convenzionali) alla quale si è poi reso necessario apportare alcune modifiche per adattarla ad un funzionamento ad ammoniaca ed idrogeno. Cerchiamo allora di capire quali sono state le principali modifiche realizzate sul sistema di stoccaggio e sul motore di partenza per adattarli all’utilizzo dell’ammoniaca.
Innanzitutto per quanto riguarda il sistema di stoccaggio, tubazioni ed iniezione è stata utilizzata la componentistica tipica dei motori alimentati a GPL: il motivo è stato che, viste le similitudini in termini di sistemi di stoccaggio e distribuzione fra ammoniaca e
37 Per approfondimenti si veda: Progetto SAVIA, https://sites.google.com/site/ progettosavia/home (sito consultato il 12 ottobre 2015).
GPL, questo avrebbe consentito di mantenere i costi bassi. A causa dell'elevata aggressività dell'ammoniaca verso alcuni materiali, si è deciso di utilizzare l’acciaio inox per il serbatoio e per le condutture dell’ammoniaca e di effettuare un rivestimento con nickel per le componenti in alluminio, per evitare che venissero corrose da questa sostanza.
Per quanto riguarda invece il motore si è preso a riferimento un motore a combustione interna di tipo spark-ignition (modello Lombardini bicilindrico di 505 cm3) di cui si è mantenuta l’originale configurazione meccanica della versione a benzina, apportandovi solo le modifiche necessarie per adattarlo ad un’alimentazione ad ammoniaca ed idrogeno. L’unica modifica meccanica realizzata sul motore ha riguardato il collettore di aspirazione, dove sono stati aggiunti elettro-iniettori per l’immissione di ammoniaca e idrogeno in fase gassosa a quelli per la benzina già esistenti.
Inoltre, come già anticipato, all’uscita dello scarico del motore è stato montato uno speciale reattore catalitico per ottenere idrogeno dalla decomposizione termica dell’ammoniaca.
Passiamo adesso ad analizzare altre applicazioni pratiche dell’utilizzo dell’ammoniaca come combustibile per autotrazione. A questo proposito dobbiamo prendere atto che, nonostante tutti i vantaggi legati a questo utilizzo, la sua applicazione nel settore
automotive è ad oggi limitata a pochissimi prototipi sperimentali altamente innovativi
per la cui commercializzazione è necessario ancora un lungo periodo di messa a punto nonché la stesura di una legislazione specifica.
Il primo di questi prototipi è stato quello sviluppato nell’ambito del progetto SAVIA: un veicolo elettrico ibrido ad autonomia estesa dotato di un motore a combustione interna alimentato con ammoniaca liquida arricchita di circa il 10% di idrogeno (in volume) che funge da “range extender” ovvero serve per ricaricare le batterie al litio del veicolo. In particolare il veicolo usato per l’ibridazione è un Effedi Gasolone 35 modello diesel ossia un furgoncino per la raccolta differenziata da 35 quintali, utilizzato spesso nei centri storici delle città italiane dove le questioni riguardanti rumori ed inquinamento sono molto importanti. Questo prototipo è stato il frutto di ricerche e sperimentazioni
durate tre anni, dal 2009 al 2012, ed ha superato la prima prova su strada a Pontedera nel Febbraio del 2012 39.
Altro caso interessante è un’auto sportiva alimentata con una miscela di benzina ed ammoniaca progettata dall’azienda di pneumatici Marangoni: la Marangoni Toyota
GT-86 Eco-Explorer, che nel 2013 è stata presentata nei principali saloni e manifestazioni motoristiche europee ed ha partecipato ad alcune date del GT Academy organizzato da Toyota Motor Italia. L’auto è dotata di un doppio sistema di alimentazione: può andare o solo a benzina oppure con una miscela benzina-ammoniaca, quest'ultima contenuta in un serbatoio separato apposito. La Marangoni ha dichiarato che con i 30 litri di ammoniaca che il serbatoio può contenere, l’auto è in grado di percorrere 180 km e che fino a 2.800 rpm 40 può essere alimentata solo ad ammoniaca. Inoltre, grazie all’elevato contenuto energetico dell’ammoniaca, la performance originaria della sportiva GT-86 è mantenuta. Il sistema usa uno speciale riduttore di pressione ed una unità di controllo per verificare che tutti i requisiti di sicurezza relativi all’utilizzo dell’ammoniaca siano rispettati. Le emissioni di anidride carbonica e polveri sottili sono significativamente ridotte. 41
Un ulteriore prototipo è stato sviluppato negli Stati Uniti: si tratta della NH3car, un
camioncino alimentato con una miscela di ammoniaca e benzina il quale, dopo anni di sviluppi e sperimentazioni, nell’estate del 2007 è stato testato attraverso un lungo viaggio da Detroit a San Francisco. L’aggiunta della benzina è necessaria, viste le caratteristiche di combustione dell’ammoniaca, per velocizzare la combustione nel motore: all’accensione il motore richiede le proprietà di infiammabilità della benzina ma all’aumentare della velocità l’ammoniaca diventa il combustibile principale. Anche in questo caso il risultato è una riduzione radicale di emissioni di gas effetto serra e di sostanze inquinanti. 42
39Per approfondimenti: Quattroruote, http://www.quattroruote.it/news/eco_news/2012 /02/14/ su_strada_il_primo_prototipo.html (sito consultato il 12 ottobre 2015).
40 I giri al minuto, indicati con giri/min o rpm (dall’inglese “revolutions per minute”)
sono definiti come “un'unità di misura della velocità di rotazione, pari al numero di giri o cicli compiuti in un minuto da un oggetto o dagli organi rotanti di una macchina”. Definizione tratta da: Giri al minuto, Wikipedia, https://it.wikipedia.org/wiki/Giri_al_minuto (sito consultato il 15 ottobre 2015).
41Per approfondimenti: Marangoni, http://tyre.marangoni.com/it/Tuning/Progetti/GT86 EcoExplorer/Descrizioneauto.aspx#.VhuLRmDU5rM (sito consultato il 12 ottobre 2015).
42 Per approfondimenti: NH
3car, http://www.nh3car.com/index.htm (sito consultato il 12
