Cella a combustibile e idrogeno: definizione, funzionamento e impieghi
Scopri come funzionano le celle a combustibile a idrogeno: definizione, processi di produzione, vantaggi ambientali e applicazioni per un futuro energetico sostenibile.
Una cella a combustibile produce elettricità utilizzando l'energia rilasciata miscelando il carburante con l'aria, una reazione che crea acqua e talvolta anche anidride carbonica. Il combustibile più comune per le celle a combustibile è l'idrogeno, che se reagito con l'ossigeno dell'aria produce solo acqua. Le celle a combustibile funzionano come una batteria che viene costantemente alimentata con carburante, quindi non si esaurisce mai (fintanto che si ha abbastanza carburante). Le celle a combustibile sono una parte importante dell'economia dell'idrogeno. Le molecole di idrogeno si trovano in sostanze come il metano, l'acqua e la biomassa, ma in tutti i casi è necessaria una certa energia per estrarlo. Ci sono due modi comuni per produrre idrogeno - può essere separato dalla maggior parte dei combustibili come il petrolio, il gas, il carbone in un processo chiamato steam reforming, o può essere estratto dall'acqua usando un processo chiamato elettrolisi. Se l'idrogeno viene separato dai combustibili fossili, viene rilasciata anidride carbonica. Se l'energia utilizzata per estrarla dall'acqua attraverso l'elettrolisi proviene dal sole o dal vento, allora l'idrogeno prodotto è benigno perché non vengono rilasciate emissioni. L'idrogeno può anche essere separato dal biogas rinnovabile, il che significa che il carbonio emesso non è di origine fossile e quindi fa parte del ciclo naturale del carbonio.
Come funziona una cella a combustibile
Una cella a combustibile converte l'energia chimica direttamente in energia elettrica tramite reazioni elettrochimiche, senza combustione diretta. Le celle sono costituite principalmente da due elettrodi (anodo e catodo) separati da un elettrolita. All'anodo il combustibile viene ossidato, liberando elettroni e ioni; gli elettroni scorrono nel circuito esterno fornendo energia elettrica, mentre gli ioni attraversano l'elettrolita fino al catodo, dove reagiscono con l'ossigeno per formare prodotti come acqua.
Tipi principali di celle a combustibile
- Celle a protoni (PEMFC): operano a basse temperature, hanno tempi di avvio rapidi e sono adatte per veicoli e applicazioni portatili.
- Celle a ossidi solidi (SOFC): lavorano ad alte temperature (≥600 °C), possono usare combustibili diversi dall'idrogeno e sono adatte a generazione stazionaria efficiente.
- Celle a carbonati fusi (MCFC): operative ad alte temperature e utili per grandi impianti di generazione elettrica con integrazione a processi industriali.
- Celle ad acido fosforico (PAFC): usate per applicazioni stazionarie con buone prestazioni e stabilità a medie temperature.
- Celle a metanolo diretto (DMFC): alimentate direttamente con metanolo liquido, interessanti per dispositivi portatili ma con efficienza e durabilità inferiori rispetto alle PEMFC.
Produzione dell'idrogeno
L'idrogeno non è una fonte primaria ma un vettore energetico: va prodotto. I metodi più comuni sono:
- Steam reforming del gas naturale: economico ma emette CO2 se non accompagnato da cattura e stoccaggio del carbonio.
- Elettrolisi dell'acqua: l'acqua viene separata in idrogeno e ossigeno usando elettricità. Se l'elettricità proviene da fonti rinnovabili (sole, vento), l'idrogeno è a basso impatto climatico.
- Gassificazione della biomassa o reforming del biogas: permette di ottenere idrogeno rinnovabile con bilanci di carbonio favorevoli.
- Altri metodi emergenti includono l'elettrolisi ad alta temperatura e processi fotoelettrochimici.
Vantaggi e limiti
- Vantaggi: alta efficienza in conversione elettrica rispetto alla combustione diretta, zero emissioni locali se si usa idrogeno puro (produzione di acqua come sottoprodotto), flessibilità d'uso (trasporti, off-grid, generazione distribuita) e integrazione con rinnovabili per accumulo energetico.
- Limiti: costo ancora elevato delle celle e dei materiali (es. catalizzatori a base di platino), sfide nello stoccaggio e nella distribuzione dell'idrogeno (leggerezza e permeabilità), efficienza complessiva del sistema dipendente dal metodo di produzione dell'idrogeno e necessità di infrastrutture dedicate.
Impieghi principali
- Trasporti: auto, autobus, camion, treni e piccoli aerei con celle a combustibile a idrogeno per autonomie maggiori rispetto a molte batterie.
- Generazione stazionaria: produzione elettrica e cogenerazione in edifici commerciali e industriali, microreti e backup.
- Applicazioni portatili e di precisione: dispositivi elettronici, sistemi di emergenza e applicazioni militari.
- Industria: utilizzo dell'idrogeno come materia prima (raffinerie, produzione di ammoniaca, processi chimici) e come vettore energetico per calore ad alta temperatura.
Sicurezza e stoccaggio
L'idrogeno ha alcune caratteristiche particolari: è molto leggero, ha ampia finestra di infiammabilità e può diffondersi rapidamente. Per questo motivo servono standard rigorosi per serbatoi, infrastrutture e sistemi di ventilazione. Lo stoccaggio può avvenire in forma compressa, liquida o mediante materiali chimici/assorbenti; ognuna di queste soluzioni ha vantaggi e svantaggi in termini di densità energetica, costo e complessità tecnica.
Efficienza e impatto ambientale
L'efficienza di una cella a combustibile varia con il tipo e le condizioni di funzionamento; in molte applicazioni può superare l'efficienza delle turbine a combustione interna. Tuttavia, l'impatto climatico complessivo dipende dalla fonte dell'energia usata per produrre l'idrogeno: l'idrogeno prodotto da elettrolisi alimentata da rinnovabili è la soluzione più sostenibile, mentre l'idrogeno ottenuto da combustibili fossili senza cattura della CO2 comporta rilevanti emissioni.
Prospettive e sviluppo
La ricerca punta a ridurre i costi (nuovi catalizzatori meno costosi, materiali per elettroliti, processi produttivi) e a migliorare la robustezza e durata delle celle. Parallelamente, l'espansione delle energie rinnovabili rende l'idrogeno verde più competitivo. Policy di sostegno, reti di rifornimento e progetti pilota stanno accelerando l'adozione in settori difficili da elettrificare direttamente.
In sintesi: le celle a combustibile, soprattutto se alimentate con idrogeno prodotto da fonti rinnovabili, offrono un modo efficiente e pulito per ottenere energia elettrica in molte applicazioni. Le sfide tecnologiche e infrastrutturali attuali sono significative ma superabili con innovazione, investimenti e politiche mirate.
Cella a combustibile a metanolo diretto. La pila di celle a combustibile vera e propria è la struttura bicubica stratificata al centro dell'immagine
Come convertire l'energia
L'acqua è una molecola che consiste di un atomo di ossigeno e due atomi di idrogeno. Ci vuole energia per separare l'acqua in ossigeno e idrogeno, e l'energia viene rilasciata quando vengono rimessi insieme come acqua. Una cella a combustibile rimette insieme idrogeno e ossigeno in un modo che rilascia l'energia sotto forma di elettricità.
Il carburante (la fonte di energia, di solito l'idrogeno) e l'aria (che contiene l'ossigeno) sono messi in lati opposti della cella a combustibile. Al centro della cella a combustibile c'è uno "schermo", chiamato elettrolita, inserito tra due piastre metalliche, chiamate elettrodi, che mantiene il combustibile e l'aria separati. Diversi tipi di celle a combustibile prendono il loro nome in base al tipo di schermo che viene utilizzato per separare il carburante dall'aria. Lo schermo permette solo il passaggio di specifiche molecole cariche, note anche come ioni.
Per creare ioni, gli elettroni devono essere trasportati da un lato all'altro del sistema. Gli elettroni sono separati dal carburante dalla piastra metallica sul lato del carburante e devono viaggiare verso il lato dell'aria per completare la reazione. Poiché lo schermo non lascia passare gli elettroni, essi passano attraverso un filo separato, verso l'altra piastra metallica sul lato dell'aria. Il viaggio degli elettroni crea corrente elettrica (elettricità). Il filo è il luogo in cui l'elettricità può essere utilizzata. Per esempio, il filo può essere tagliato a metà, e una lampadina può essere collegata tra le due metà.
Nel frattempo, gli ioni passano attraverso lo schermo e reagiscono con le molecole (già dall'altra parte) e gli elettroni (che viaggiano attraverso il filo, cedendo energia all'elettronica di potenza) dall'altra parte. Si forma acqua (e, a seconda del tipo di carburante, occasionalmente altri prodotti), che esce attraverso un tubo di scarico.
Efficienza
Le celle a combustibile producono elettricità combinando ossigeno e idrogeno. L'efficienza è molto buona (circa il 40%-70%). Hanno un'efficienza massima dell'83% se il calore di scarico viene utilizzato durante la reazione. Inoltre, le celle a combustibile possono utilizzare vari combustibili, per esempio, gas naturale, metanolo, GPL (Gas di Petrolio Liquido), nafta, cherosene, ecc.
Caratteristiche
Alcuni tipi di celle a combustibile producono solo acqua, il che significa nessun inquinamento. La maggior parte dei tipi di celle a combustibile causano molte meno emissioni rispetto alla generazione di energia classica ("calorica"). Possono consumare gli stessi tipi di combustibile dei generatori di energia classici, per esempio i motori diesel, ma sono circa due volte più efficienti, il che significa che possono produrre la stessa quantità di energia con la metà del combustibile, e quindi almeno la metà dell'inquinamento. Inoltre, l'uso di celle a combustibile a conversione diretta ha meno rischi di produrre emissioni secondarie come NOx, SOx e particolato, che sono effetti collaterali della combustione, contribuiscono al riscaldamento globale e sono noti come criteri inquinanti.
Le celle a combustibile sono molto silenziose. Non hanno parti mobili a parte alcuni ventilatori per spostare l'aria e pompe per spostare l'acqua, il che significa che molto raramente richiedono riparazioni, tuttavia alcune grandi celle a combustibile usate per alimentare cose come gli edifici possono essere abbastanza fragili.
A causa delle bassissime emissioni inquinanti, le celle a combustibile sono spesso utilizzate nei veicoli che si muovono all'interno degli edifici, come i carrelli elevatori. Poiché sono molto silenziose, vengono utilizzate su alcuni sottomarini militari per evitare di essere individuate. Il carburante è utilizzato in modo più efficiente, il che significa che le celle a combustibile possono funzionare più a lungo senza bisogno di nuovo carburante. Questo permette di utilizzarle in luoghi difficili da raggiungere, come le stazioni meteorologiche o di ricerca, le navi spaziali o le basi militari.
Poiché le navi spaziali vengono lanciate utilizzando razzi contenenti idrogeno e ossigeno puri, l'elettricità di bordo viene prodotta utilizzando celle a combustibile molto efficienti che possono utilizzare questi combustibili. Inoltre, le celle a combustibile delle astronavi producono acqua pura sui loro gas di scarico, che può essere ulteriormente catturata e utilizzata come acqua potabile per gli astronauti, il che significa che non si spreca assolutamente nulla.
Tipi di celle a combustibile
Le celle a combustibile possono essere classificate in base al tipo di schermo interno (elettrolita). Ad esempio, le celle a combustibile ad acido fosforico sono per basse temperature. Sono utilizzate nei telefoni cellulari e negli alimentatori delle automobili che richiedono correnti elevate perché sono molto più sicure. Le celle a combustibile alcaline di solito contengono idrossido di potassio (KOH). Le celle a combustibile a metanolo sono utilizzate per reazione elettrochimica del metanolo. Questo tipo di cella a combustibile è una scelta migliore per un sistema più semplice. Ma le celle a combustibile a metanolo hanno basse densità di uscita, poiché la sua velocità di reazione è lenta.
Alcuni importanti tipi di celle a combustibile sono:
- Celle a combustibile ad acido fosforico (PAFC) - Le celle a combustibile ad acido fosforico sono oggi disponibili in commercio. Sono le più comuni celle a combustibile per la produzione combinata di calore ed energia.
- Celle a combustibile a membrana a scambio di protoni (PEM) - Queste celle a combustibile funzionano a temperature relativamente basse (circa 175 °F), hanno un'elevata densità di potenza, possono variare la loro potenza in modo rapido per soddisfare le variazioni della domanda di potenza e sono adatte per applicazioni, come ad esempio nelle automobili, dove è richiesto un avvio rapido. Tutti i veicoli commerciali a celle a combustibile utilizzano questo tipo di celle a combustibile. Lo svantaggio di queste celle a combustibile è che richiedono idrogeno ad alta purezza che è costoso da produrre.
- Celle a combustibile a carbonato fuso (MCFC) - Queste celle a combustibile funzionano a temperature molto elevate che consentono di convertire i combustibili più complessi, come il gas naturale, in combustibile a idrogeno da utilizzare dalla cella stessa. Queste richiedono diverse ore per l'avvio e lo spegnimento, quindi sono utilizzate solo in applicazioni in cui possono continuare a funzionare in modo continuo, come l'energia stazionaria per grandi edifici/imprese.
- Cella a combustibile microbica (MFC) - Una cella a combustibile che utilizza microbi respirabili per convertire substrati organici in energia elettrica, utilizzando reazioni di riduzione dell'ossidazione.
Applicazioni
Ci sono molti usi per le celle a combustibile - le principali case automobilistiche stanno lavorando per commercializzare le auto a celle a combustibile. Toyota e Honda hanno rilasciato rispettivamente la Mirai e la Clarity. Le celle a combustibile alimentano autobus, barche, treni, aerei, scooter, carrelli elevatori e biciclette. Ci sono distributori automatici alimentati a celle a combustibile, aspirapolveri e segnali stradali autostradali. Sono previste celle a combustibile in miniatura per telefoni cellulari, computer portatili ed elettronica portatile. Ospedali, centri di carte di credito, stazioni di polizia e banche usano le celle a combustibile per fornire energia alle loro strutture. Gli impianti di trattamento delle acque reflue e le discariche le usano per convertire il gas metano che producono in elettricità. Le celle a combustibile sono state a lungo utilizzate nello spazio. Le società di telecomunicazioni usano le celle a combustibile presso le torri di telefonia mobile, radio e 911.
Domande e risposte
D: Come fa una cella a combustibile a generare elettricità?
R: Una cella a combustibile genera elettricità mescolando il combustibile con l'aria e creando una reazione che rilascia energia, creando acqua e talvolta anidride carbonica.
D: Qual è il combustibile più comunemente utilizzato nelle celle a combustibile?
R: Il combustibile più comunemente utilizzato nelle celle a combustibile è l'idrogeno.
D: In che cosa differisce una cella a combustibile da una batteria?
R: Una cella a combustibile si differenzia da una batteria per il fatto che viene alimentata costantemente con il combustibile, quindi non si esaurisce mai, a condizione che ci sia abbastanza combustibile disponibile.
D: Che cos'è l'economia dell'idrogeno?
R: L'economia dell'idrogeno si riferisce all'uso dell'idrogeno come fonte di carburante per ridurre la dipendenza dai combustibili fossili.
D: Come si produce l'idrogeno?
R: L'idrogeno può essere prodotto con un processo chiamato steam reforming o estratto dall'acqua con un processo chiamato elettrolisi.
D: Cosa succede quando l'idrogeno viene separato dai combustibili fossili?
R: Quando l'idrogeno viene separato dai combustibili fossili, viene rilasciata anidride carbonica.
D: L'idrogeno può essere prodotto in modo da non emettere emissioni nocive?
R: Sì, se l'energia utilizzata per produrre idrogeno proviene da fonti rinnovabili come l'energia solare o eolica, l'idrogeno prodotto è benigno perché non vengono rilasciate emissioni. L'idrogeno può anche essere separato dal biogas rinnovabile, il che significa che il carbonio emesso non è di origine fossile e quindi fa parte del ciclo naturale del carbonio.
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