Anna Maria Chiaffitelli
ATTUABILI A SCUOLA?
Si può passare dalle esperienze di laboratorio a realizzazioni a livello preindustriale sino alla produzione
commerciale.
Reazioni elettrodiche
(anodo, + ) 2 H2O → O2 + 4 H+ + 4 e
(catodo, -) 4 H+ + 4 e → 2 H2
_____________________________________
2 H2O → 2 H2 + O2
OBIETTIVO costruire un impianto che sfrutta le pile a combustibile nell'ambito della generazione stazionaria di potenza
con generatori fotovoltaici (nell'ambito delle fonti rinnovabili) e produzione di H2 da elettrolisi.
Questo è il campo dove sta crescendo la richiesta di generazione distribuita che è stata finora soddisfatta
prevalentemente con piccole turbine a gas e motori a combustione interna (nell'ambito delle tecniche tradizionali).
In particolare le pile a combustibile a temperatura media o alta rivestono particolare interesse per la cogenerazione
(produzione associata di energia elettrica e calore).
•Generalità celle a combustibile
•Principali filiere di celle a combustibile
•Il problema delle emissioni gassose
•I veicoli elettrici:
•A celle a combustibile
•Utilizzo delle PEM
•Quali sono i prototipi di FCV
PERCHE’ LE PILE A COMBUSTIBILE?
Rilancio pile a combustibile
oltre un secolo dopo la loro invenzione da parte di W. Grove
(1839)
PROBLEMI:
a.
i problemi tecnologici e i costi di produzione ancora elevati delle pile a combustibile
b.
il successo delle soluzioni alternative elettromeccaniche tuttora più economiche e tecnologicamente
meno impegnative.
ALLORA PERCHE’ SVILUPPARLE:
a.
La necessità di disporre di generatori di energia con ridotto
impatto ambientale e basse emissioni di anidride carbonica (CO2 )
b.
La ricerca di rendimenti elevati anche a livello di generatori di taglia
medio-piccola
c.
La ricerca di un'alternativa,seppur parziale, al nucleare
d.
La concreta prospettiva di una significativa riduzione dei costi nel
breve-medio termine.
Oggi sono disponibili, a differenti stadi di sviluppo, diverse filiere di celle a combustibile FC (Fuel cell), che si
distinguono una dall'altra per il tipo di elettrolito e che funzionano a diverse temperature medie e con
differenti rendimenti. In generale la materia attiva è costituita da aria od ossigeno e da idrogeno
oppure da idrocarburi (nel caso delle celle ad alta temperatura)
La cella è composta da: due elettrodi
in materiale poroso, separati da un
elettrolita.
Gli elettrodi fungono da siti catalitici
per le reazioni di cella che consumano
fondamentalmente idrogeno ed
ossigeno, con produzione di acqua e
passaggio di corrente elettrica nel
circuito esterno.
L’elettrolita ha la funzione di condurre
gli ioni prodotti da una reazione e
consumati dall’altra, chiudendo il
circuito elettrico all’interno della cella.
La trasformazione elettrochimica è
accompagnata da produzione di
calore, che è necessario estrarre per
mantenere costante la temperatura di
funzionamento della cella.
Costruttivamente le celle sono disposte in serie, a
mezzo di piatti bipolari a formare il cosiddetto “stack”.
Gli stack a loro volta sono assemblati in moduli per
ottenere generatori della potenza richiesta. Si ottiene in
questo modo un dispositivo ad elevata efficienza di
conversione energetica, di rendimento quasi
indipendente dal carico e dalla taglia dell’impianto,
flessibile nell’uso dei combustibili di partenza, di impatto
ambientale assai ridotto con emissioni trascurabili e
Comunque, nonostante i notevoli progressi compiuti a
livello mondiale per affinare la tecnologia
e le caratteristiche delle celle, c’è da fare ancora molto
lavoro per migliorare le prestazioni dei materiali; per
incrementare le prestazioni energetiche e ambientali;
per aumentare l’affidabilità e la durata; per semplificare
i sistemi e ridurre i costi; per creare una rete di
distribuzione del combustibile; e infine per consentire
l’emissione di standard e normative.
bassa rumorosità.
Oggi sono disponibili, a differenti stadi di sviluppo, diverse filiere
filiere di celle a combustibile FC (Fuel
(Fuel cell),
cell),
che si distinguono una dall'altra per il tipo di elettrolita e che funzionano a diverse temperature medie e
con differenti rendimenti. In generale la materia attiva è costituita
costituita da aria od ossigeno e da idrogeno
oppure da idrocarburi (nel caso delle celle ad alta temperatura)
Temperatur
a media del
calore
residuo (*)
(2)
[C°]
Parametri
delle celle a
combustibile
Temperatur
a media di
esercizio
[C°]
Rendimento
elettrico
dell'impianto
(1)
[%]
FC alcaline
(AFC)
60 - 100
50
<60
FC a
membrana
polimerica
(PEM,
SPFC)
60 - 120
40
40 - 60
FC ad acido
fosforico
(PAFC)
180 - 200
40
70 - 80
FC a
carbonati
fusi (MCFC)
600 - 700
50 - 55
600 - 700
FC a ossidi
solidi
(SOFC)
800 - 1000
50 - 55
700 -1000
I tipi più comuni di celle a combustibile prendono il
nome dal tipo di elettrolito che utilizzano e per tanto si
dividono in celle ad acido fosforico (PAFC), a carbonato
liquido (MCFC), a membrana di scambio di protoni
(PEMFC) ed infine ad ossidi solidi (SOFC).
Le diverse temperature di esercizio ed i diversi materiali
costruttivi conferiscono a ciascun tipo di cella
caratteristiche e comportamenti differenti, tuttavia tutte
le celle a combustibile sono accomunate da elevata
efficienza e bassissime emissioni.
Infatti, operando a temperature relativamente
basse, non producono ossidi di azoto (NOx
(NOx)) e
poichè non possono tollerare lo zolfo (il
combustibile è desulforato)
desulforato) non possono produrre
nemmeno ossidi di zolfo (SOx
); non essendoci
(SOx);
infine combustione non esistono fuliggine o ceneri.
Celle a combustibile a bassa e media temperatura
1.
Celle alcaline (o AFC: Alkaline FC) che usano come elettrolito una soluzione acquosa di idrossido di potassio
(KOH) e hanno elettrodi porosi a base di nichel (temperatura media di esercizio: 60-100 °C).
2.
Celle PEM (Proton Exchange Membrane), dette anche SPFC (Solid Polymer FC, celle a elettrolito polimerico
solido): sono dotate di una membrana a scambio di protoni su cui sono depositati gli elettrodi (temperatura
media di esercizio: 60-120 °C).
3.
Celle ad acido fosforico PAFC (Phosphoric Acid FC) che usano come elettrolito una soluzione di acido
fosforico imbibito in una matrice di carburo di silicio posta fra due elettrodi di grafite opportunamentte trattata
(temperatura media di esercizio: 180-200 °C).
Celle a combustibile ad alta temperatura
1.
Celle ad ossidi solidi SOFC (Solid Oxide FC), il cui elettrolito è formato da ossido di zirconio stabilizzato con
ossido di ittrio; il catodo è costituito da manganito di lantanio opportunamente trattato, l'anodo da un cermet a
base di nichel-ossido di zirconio (temperatura media di esercizio: 800-1000 °C).
Alimentazione: H2 (+ CO, CO2) / aria
-) H2 + O2- = H2O + 2e+) ½ O2 + 2e- = O2H2 + ½ O 2 = H2O
2. Celle a carbonati fusi (o MCFC: Molten Carbonate FC), che usano come elettrolito una miscela di carbonati
(tipicamente di litio e di potassio), i due elettrodi sono entrambi a base di nichel: il catodo impiega ossido di
nichel litiato, l'anodo usa nichel con piccole percentuali di cromo (temperatura media di esercizio:600-700 °C).
vantaggi
svantaggi
PEMFC, DMFC
semplicità di disegno
materiali convenzionali
velocità di risposta
volumi ridotti
costo delle membrane
catalizzatori di platino
esercizio a 60 – 90°C max
sensibilità a tracce di CO
basso rendimento DMFC
PAFC
ore di funzionamento
materiali convenzionali
bassa sensibilità a CO
esercizio a 180 – 200°C
volumi elevati
catalizzatori di platino
differenziale di pressione
attacchi di corrosione
AFC
ore di funzionamento
materiali poco costosi
catalizzatori privi di platino
esercizio a 80 – 120°C
volumi elevati
differenziale di pressione
aria decarbonatata o
ossigeno puro
MCFC
insensibilità a impurezze
catalizzatori privi di platino
esercizio a 600 – 650°C
volumi elevati
differenziale di pressione
ambiente corrosivo
dilatazioni termiche
SOFC
insensibilità a impurezze
uso diretto di idrocarburi
catalizzatori privi di platino
esercizio a 900 – 1000°C
volumi elevati
ossidazione dei materiali
dilatazioni termiche
Il principale responsabile dell’effetto serra è l’anidride carbonica, prodotto finale
dell’uso dei combustibili fossili nella generazione di energia termica, meccanica ed
elettrica.
All’inizio del secolo scorso la concentrazione della CO2 nell’aria era pari a 300 parti
per milione (ppm). Ora è circa 380 ppm.
A livello globale circa il 30% delle emissioni di CO2 in atmosfera è causato dai trasporti, del resto responsabili
anche per altri tipi di inquinamento. Oltre ad agire sull’efficienza dei veicoli tradizionali e a cercare di utilizzare
combustibili più puliti, per cercare di limitare l’effetto serra appare opportuno sviluppare la tecnologia del veicolo
elettrico e, fra le varie soluzioni, quella più promettente a medio-lungo termine è basata sull’uso dell’idrogeno in
veicoli equipaggiati con celle a combustibile.
I tipi di veicolo che utilizzano l’energia
elettrica per la trazione sono
principalmente due: i veicoli a batterie ed i
veicoli ibridi.
Per soddisfare le esigenze dei vari tipi di
veicolo, sono disponibili quattro
differenti tecnologie di batterie che sono:
• Batterie al piombo-acido
• Batterie al nickel-cadmio
• Batterie al nickel-idruro metallico
• Batterie al litio-ioni
• Batterie al sodio nickel cloro
A questi si aggiungono
i veicoli a celle a combustibile
che possono essere visti come un sottoinsieme dei
veicoli elettrici.
L’UTILIZZO DELLE CELLE A COMBUSTIBILE NELLA TRAZIONE
L’intervento in questo settore è orientato allo sviluppo sia di motori a combustione
interna, sia di motori con celle a combustibile, questi ultimi essenziali per un sistema di
trasporto a minimo impatto ambientale. L’uso delle celle a combustibile per la trazione
presenta infatti numerosi vantaggi ma comporta un grosso cambiamento rispetto alla
filosofia attuale dei veicoli.
Soluzioni accettate per la produzione di H2
combustibili fossili
Da gas naturale (GN)
Reforming con vapore
Reforming catalitico autotermico
Da nafte o olii combustibili:
Ossidazione parziale
Da carbone:
Gassificazione
Problema
Esigenza di un'infrastruttura in grado di distribuire capillarmente sul territorio il nuovo vettore energetico
Sotto questo aspetto sarebbero ovviamente preferibili combustibili più facilmente inseribili nelle attuali reti di
distribuzione, come il metanolo o il metano, facilmente immagazzinabili anche sul veicolo. In questi casi occorre
installare a bordo del veicolo un reformer che estragga dal combustibile originario il gas ricco di idrogeno da
inviare alla cella:
soluzione questa non del tutto indolore, in quanto generatrice di ossidi di azoto ed altri prodotti derivanti dalla
combustione incompleta come il CO, peraltro quantitativamente molto inferiori a quelle dei veicoli convenzionali.
Ma una tecnologia di reformer economica ed efficiente è allo stato delle cose ancora un obiettivo
lontano.
Nel caso di alimentazione da idrogeno puro, ed ipotizzando per il lungo termine l'esistenza di
"idrogenodotti " per applicazioni generalizzate di massa di questo vettore energetico, cadrebbe l'esigenza del
reformer ma occorrerebbe viceversa risolvere il problema dello stoccaggio dell'idrogeno a bordo del veicolo;
L’uso di bombole in pressione limita fortemente la quantità immagazzinabile e quindi l'autonomia del
veicolo; e la liquefazione, caratterizza la da un rendimento energetico assai basso, mal si concilia con le esigenze
di economia delle fonti primarie.
Sono da tempo allo studio tecniche potenzialmente più efficienti, come lo stoccaggio in forma solida in idruri
metallici,
metallici che restano però ancora lontani da concrete possibilità applicative.
Quale che sia l'alimentazione, da idrogeno puro o dal gas prodotto da un reformer, la cella a combustibile
ad elettrolita polimerico è quella che meglio soddisfa i requisiti della trazione elettrica: funziona a bassa
temperatura (70°C), ha ridotti tempi di avviamento (decine di secondi) ed
elevata potenza specifica.
I costi di un gruppo sono stimati a circa 100 Euro/kW.
Funzionamento
Fase 1 I due gas ossigeno ed idrogeno, tenuti separati in due circuiti, migrano dal serbatoio al catalizzatore.
Fase 2 Le molecole d’idrogeno (H2) vengono decomposti, dal catalizzatore, in due atomi H+ (protoni) e, in questo processo,
ciascuno degli atomi d’idrogeno cede il suo elettrone.
Fase 3 I protoni attraversano l’elettrolita (membrana) e raggiungono la parte del catodo.
Fase 4 Gli elettroni entrano nella parte dell’anodo e generano una corrente elettrica che alimenta una utenza.
Fase 5 A contatto con il catodo, sempre quattro elettroni si ricombinano con una molecola di ossigeno.
Fase 6 Gli ioni che si sono formati hanno una carica negativa e migrano verso i protoni con carica positiva
Fase 7 Gli ioni di ossigeno cedono le loro due cariche negative a due protoni e reagendo con questi si forma acqua.
Applicazioni
Le celle a combustibile PEM consentono molte applicazioni che vanno dalla telefonia mobile e la cogenerazione fino ai motori per
veicoli come su detto.
Queste celle vengono oggi sperimentate con successo in molti veicoli speciali: automobili, minibus e bus.
Sicuramente in futuro saranno impiegate anche in furgoni e in altri veicoli da piccolo trasporto.
Solo i pesanti camion non potranno essere attrezzati, nel prossimo futuro, con questi motori, perché questi veicoli devono avere
un’elevata autonomia che richiederebbe un enorme serbatoio per l’idrogeno; i comuni motori diesel sono inoltre molto efficienti.
Le celle a combustile PEM si prestano anche per veicoli su rotaie, per esempio tram e treni regionali che, in questo caso, non
necessitano delle linee elettriche aeree.
Le celle PEM si prestano soprattutto per l’impiego in impianti di cogenerazione. Sono in fase di sviluppo dei modelli per piccoli
edifici residenziali e grandi edifici come, per esempio, ospedali.
La commercializzazione di queste celle dovrebbe iniziare nei prossimi anni. In questi sistemi l’idrogeno è prodotto, tramite
reforming, con l’uso di gas naturale o GPL.
Oltre alle emissioni pressoché nulle (acqua e una piccola quantità di ossidi di azoto nel caso d i alimentazione
da idrogeno puro), il maggior vantaggio delle celle a combustibile è rappresentato dall’alto
alto rendimento
energetico,
energetico che raggiunge valori del 45%o contro il 24% misurato nei motori a combustione interna operanti in
regime variabile.
Alla cella vengono associati piccoli sistemi di accumulo elettrochimico (batterie o supercondensatori), che
provvedono ad erogare i forti picchi di potenza richiesti in accelerazione, consentendo così di ridurre il
dimensionamento (e il costo) della cella e di recuperare l'energia di frenata, come sui veicoli a batterie.
L’industria automobilistica sta investendo notevoli risorse in questa tecnologia ed ha già realizzato un centinaio di
prototipi dimostrativi (i primi risalgono a quasi vent'anni fa), dall'auto fino ai grossi bus. Nonostante i notevoli
progressi registrati negli anni recenti, va sottolineato che non siamo tuttavia in presenza di una tecnologia matura
e praticabile. È necessario risolvere ancora una serie di problemi ingegneristici: gli ingombri sono eccessivi
soprattutto per i veicoli con reformer a bordo, e in questo caso sono inoltre richiesti tempi di preriscaldamento
difficilmente compatibili con le brevi percorrenze urbane.
Ma il vero scoglio è quello economico.
economico
I requisiti di costo fissati dai costruttori automobilistici, dello stesso ordine di grandezza di quella degli odierni
motori a combustione interna (50-100 $/kW) costituiscono una notevole sfida se si considera che tali valori sono di
quasi due ordini di grandezza inferiori a quelli dei sistemi installati sugli attuali prototipi 5000-1 0.000 $/kW).
L'abbattimento dei costi non è un semplice problema di scala produttiva: occorre piuttosto intervenire sull'intera
tecnologia del sistema, dalla fabbricazione della cella, al reformer quando presente, all' integrazione dei diversi
sottosistemi. Non meno rilevanti sotto l'aspetto economico sono infine gli investimenti infrastrutturali per la
graduale transizione dagli attuali combustibili al nuovo vettore energetico, che richiederà inevitabilmente costi
elevati che le collettività non potranno che diluire in tempi molto lunghi, ricreando un processo analogo a quello
occorso a fine Ottocento all'inizio dell'era automobilistica, in cui la trazione elettrica, allora dominante, è stata
gradatamente sostituita da quella termica grazie alla creazione delle reti di carburante. Queste difficoltà non
debbono scoraggiare, ma piuttosto ingenerare l a consapevolezza che i tempi possono essere lunghi e in buona
misura imprevedibili; il percorso della stessa automobile convenzionale non è stato meno travagliato.
Riassumendo
Molti sono i prototipi presentati; per esempio la FIAT ha realizzato la Panda Hydrogen,
con l’alimentazione a celle a combustibile PEM, e la BMW realizzerà la prima vettura di
serie a idrogeno chiamata Serie 7
Se oggi si usano come soluzioni per il serbatoio bombole ad altissime pressione (come
nel caso della Panda) e serbatoi criogenici a temperature di -253°C (come la Serie 7) in
futuro questi sistemi saranno sostituiti da soluzioni più avanzate di natura chimico-fisica,
cioè con l’idrogeno “catturato”da spugne metalliche.
QUANDO VEDREMO QUESTE VETTURE SULLE STRADE?
Perché l’auto ad idrogeno diventi realtà servono infatti anche infrastrutture necessarie a
produrre e distribuire idrogeno stesso.
Bibliografia:
• AIET luglio/agosto 2006 “veicoli elettrici: a batterie, ibridi, a celle a
combustibile”;
• ENEA opuscolo “idrogeno energia del futuro”;
• G. Faita “le celle a combustibile e il vettore energetico idrogeno
• S. Rondinini “Conversione di Energia e Vettore Idrogeno” da
L’Energia per il futuro: Nucleare e Fonti Rinnovabili – Milano 7-8
Novembre2006;
• QUARK dicembre 2006 ”la sfida delle vetture ibride”;
• http://fuelcell2000.com;
• www.miniwatt.it;
• www.siemens.it