In una società come la nostra in cui il 36% delle emissioni di CO2 sono da attribuire a inquinamento veicolare e industriale, trovare un combustibile con un impatto ambientale quasi pari a zero è di importanza fondamentale. Una tecnologia che può essere utile in questi casi è quella delle fuel cell.
Le fuel cell (o celle a combustibile) sono dispositivi elettrochimici che convertono l’energia chimica di un combustibile in energia elettrica e calore, senza utilizzare dei cicli termici. Questa tecnologia non è un’innovazione recente, ma si basa su un principio fisico scoperto nel 1839 da William Grove. Sfruttando questi dispositivi, nel 1959 l’ingegnere Harry Ihrig costruì un trattore da 20 cavalli alimentato da celle a combustibile, passato alla storia come il primo veicolo alimentato con questa fonte di energia. Qualche anno più tardi, la General Electric produsse un sistema basato sulle fuel cell, destinato alle missioni spaziali Gemini ed Apollo della NASA.
Foto di Steve Jurvetson
Come funziona? Il principio di funzionamento della tecnologia delle fuel cell si basa sull’idea di spezzare le molecole del combustibile (di solito ossigeno atmosferico) in ioni positivi ed elettroni. Gli elettroni, passando da un circuito esterno, forniscono una corrente elettrica proporzionale alla velocità della reazione chimica e utilizzabile per qualsiasi scopo (propulsione di veicoli, industriale, elettronica).
In altre parole, nelle tipologie più diffuse, utilizzando idrogeno ed ossigeno insieme ad un elemento elettrolita (elemento che riesci a condurre energia elettrica) otterremo come risultato energia elettrica e acqua, unico elemento di scarto.
I vantaggi sono molteplici:
- rendimento elettrico elevato (dal 40% al 60%).
- possibilità di utilizzo di molti combustibili, tra cui metano e metanolo.
- modularità, che permette di aumentare la potenza man mano che cresce la domanda di energia elettrica, con i rispettivi risparmi economici.
- ridotto impatto ambientale
- possibilità di cogenerazione
Gli svantaggi
Il problema di utilizzare direttamente l’idrogeno nelle fuel cell nell’ambito della propulsione veicolare risiede nello stivaggio a bordo del veicolo, in quanto, l’idrogeno è altamente infiammabile e va conservato a temperature molto basse. Per questo problema sono stati studiati particolari serbatoi che consentono la conservazione dell’idrogeno liquido a temperature vicine ai -250 °C.
Diverse tipologie
Davis-Monthan Air Force Base
Sono diverse le tipologie di celle a combustibile che vengono impiegate nella produzione di energia elettrica, generazione di calore o per i trasporti:
- Celle alcaline, utilizzano idrossido di potassio e lavorano a temperature tra 60 °C e 120 °C. Vengono utilizzate principalmente per scopi militari e spaziali e richiedono gas di alimentazione estremamente puri.
- Celle ad elettroliti polimerico, usano come elettrolita una membrana polimerica e funzionano a temperature comprese tra 70 °C e 100 °C.
Sono impiegate soprattutto per la trazione e la generazione/cogenerazione di piccola taglia (da 1 a 250 kW).
- Celle ad acido fosforico, lavorano a temperature attorno ai 200 °C con un elettrolita composto da una soluzione concentrata di acido fosforico.
Vengono utilizzate per la cogenerazione nel residenziale e nel settore terziario (da 100 a 200 kW).
- Celle a carbonati fusi, sfruttano una soluzione di carbonati alcalini fusa alla temperatura di funzionamento della cella (650 °C).
Sono adatte soprattutto per la generazione di energia elettrica e la cogenerazione che va da qualche centinaio di kW ad alcune decine di MW.
- Celle a ossia solidi, funzionano a temperatura elevata (circa 1000 °C) per assicurare una conducibilità sufficiente all’elettrolita, costituito da materiale ceramico.
Il loro impiego è sfruttato per la generazione di energia elettrica e la cogenerazione che va da qualche kW ad alcune decine di MW.
- Celle a metanolo diretto, operano a temperature tra 80 e 100 °C e utilizzano come elettrolita una membrana polimerica. Tutt’ora si stanno sviluppando per applicazioni portatili.
Le applicazioni
La principale applicazione delle fuel cell è “l’auto a idrogeno”. Le pile a combustibile, però, comprendono molti più ambiti e altrettanti intervalli di potenza: dai cellulari alle centrali elettriche. I costi e la competizione di tecnologie mature come il classico motore a combustione interna e le batterie al litio hanno, per ora, impedito la commercializzazione su ampia scala delle fuel cell.
Probabilmente l’elettronica sarà uno dei primi campi di applicazione delle pile a combustibile. Attualmente sono allo studio computer portatili e gruppi di continuità, da usare in caso di black-out, funzionanti con questa tecnologia. Uno dei primi brevetti sull’uso uno smartphone alimentato a fuel cell è stato riconosciuto nel 2012.
Propulsione veicolare
Nonostante la praticità e l’affidabilità dei motori a combustione interna non siano facilmente raggiungibili da una nuova tecnologia, i progressi delle celle a combustione in questo ambito stanno aumentando. I problemi in questa applicazione riguarda lo stoccaggio dell’idrogeno a bordo del veicolo. Esistono 5 modi principali di stoccare idrogeno su un veicolo:
- Gas compresso: viene contenuto in bombole, questa tipologia è adatta per mezzi a uso irregolare e di piccole dimensioni come scooter e automobili private.
- Idrogeno liquido: contenuto in termos, l’idrogeno liquido deve rimanere a una temperatura di 20 K, (-253 °C).
L’idrogeno liquido è più adatto a veicoli dall’uso regolare e di grandi dimensioni come camion e bus.
- Metanolo: questa tipologia ha scarsa potenza per le applicazioni veicolari ma è interessante per l’alimentazione di dispositivi portatili.
- Idruri metallici: l’idrogeno reagisce con una serie di metalli e le loro combinazioni per formare idruri in condizioni normali.
La reazione genera calore, ma per fare in modo che la reazione avvenga è necessario l’apporto di calore, che non è sempre disponibile all’avvio di un’automobile. Gli idruri sono una tecnologia nuova che offre ampi margini di miglioramento.
Insieme a impianti a energia intermittente
Una delle critiche mosse all’energia solare, all’energia eolica e a quella idroelettrica è che la quantità disponibile è troppo variabile. L’uso di elettrolizzatori, di unità di stoccaggio dell’idrogeno e di pile a combustibile, invece, permette di conservare l’energia in eccesso per i momenti in cui la fonte di energia non è disponibile (notte, inverno, vento debole o troppo forte).
Questi sistemi autonomi a idrogeno consistono in una o più sorgenti primarie (sole, vento o energia idroelettrica), un ciclo a idrogeno e una batteria per lo stoccaggio di breve periodo. Con questi sistemi combinati è possibile arrivare ad efficienze del 65%. Le fuel cell, quindi, sono una tecnologia che, se portata avanti e sviluppata in modo corretto, può darci una enorme mano nell’ambito dell’energia a basso impatto ambientale.
Alessandro Biasia