Università degli Studi di Perugia
Facoltà di Ingegneria
Corso di Impatto ambientale
Modulo b) aspetti energetici
prof. ing. Francesco Asdrubali
a.a. 2007/2008
Celle a combustibile
CELLE A COMBUSTIBILE
Sistema energetico di conversione energetica “diretta”:
Non è direttamente soggetto ai limiti di conversione propri del II principio della
termodinamica.
Non ci sono organi meccanici in movimento:
il loro funzionamento si presenta quindi silenzioso e privo di vibrazioni e di attriti.
Il combustibile per le celle: l'idrogeno.
E’ prodotto dal reforming degli idrocarburi, ma è possibile anche estrarlo dall'acqua
per elettrolisi, dalla fermentazione anaerobica delle biomasse, dalla gassificazione
del carbon fossile; da processi fotochimici con catalizzatore a base di ossido di
rame.
Celle a combustibile per autotrazione:
elettrolita polimerico (Polymer Electrolite Membrane Fuel Cell – PEM) poiché
raggiungono prestazioni, ingombri e pesi adeguati per tale impiego.
La reazione elettrochimica che si utilizza è un'ossidoriduzione:
reazione anodica
reazione catodica
e complessivamente:
H2 → 2H+ + 2e
1/2 O2 + 2H+ + 2e → H2O
H2+ 1/2 O2 → H2O
L’elettrolita è costituito da una membrana polimerica, della quale non è quindi
necessario controllare né la concentrazione né il livello.
Gli elettrodi non prendono parte alla reazione, ma fungono da catalizzatori nello
svolgimento delle semireazioni ed hanno il compito di trasferire gli elettroni, coinvolti
nella reazione, sul circuito esterno.
Gli elettrodi sono i siti dove avvengono le semireazioni precedentemente descritte.
Al lato anodo avviene la decomposizione dell’idrogeno in ioni H+ ed elettroni; questi
ultimi si trasferiscono dall’elettrodo al piatto bipolare (1), gli ioni idrogeno
attraversano l’elettrolita polimerico (2) e giungono in prossimità dell’elettrodo
catodico.
Gli elettroni che si trovano sul piatto bipolare, lato anodo, attraversano il circuito
elettrico esterno fornendo il lavoro elettrico utile, giungono quindi sul piatto bipolare,
lato catodo, e di qui fino all’elettrodo catodico, dove si completa la reazione
elettrochimica, con formazione dell’acqua.
La reattività elettrochimica fra gli elementi deve essere tale da consentire un
potenziale di Nerst di almeno 1 V.
La reazione dell'idrogeno nell'elettrolita polimerico ha un potenziale di 1,2 V.
Per ottenere un significativo valore di tensione per l’utenza finale, è necessario
collegare più celle in serie (STACK) tramite i piatti bipolari al fine di raggiungere la
tensione prefissata.
LA VISIONE DELL’IDROGENO
Thermal solar
Wind turbines
Biomass
PV plant
H2
H2 production plant
H2
CO2
Power generation
plant
Fuel cell plant
Filling station
Natural gas
Depleted gas well
Deep saline aquifer
CONFRONTO CON IMPIANTI DI POTENZA TRADIZIONALI
80
70
SOFC-GT
Efficienza, %
60
MCFC, SOFC
Ciclo combinato
50
PAFC
PEFC
40
30
Turbinaavanzate
avanzata
Turbine
Microturbina
20
Diesel
Motore a gas
Impianto a
vapore
Motore a comb. interna
10
0
0,1
1
10
100
1000
Potenza dell’impianto, MW
Caratteristiche delle celle a combustibile
Polymer Electrolyte Fuel Cells, PEFC
 Efficienza: 40%
 Stato tecnologico: 1-250 kW
 Reforming del combustibile: esterno
Vantaggi: bassa temperatura opertiva
permette start-up veloci; alta densità di potenza
Limitazioni: uso di catalizzatori costosi; complessa
gestione dell’acqua e del calore; fortemente sensibile
all’inquinamento da CO
Phosphoric Acid Fuel Cells, PAFC
 Efficienza: 40-50%
 Stato tecnologico: 50 kW -1 MW
 Reforming del combustibile: esterno
Vantaggi: disponibile in commercio; quasi insensibile
all’inquinamento da CO; affidabile per applicazioni
stazionarie in cogenerazione
Limitazioni: impiego di catalizzatori costosi; natura
corrosiva dell’acido fosforico; alti costi di produzione
Molten Carbonate Fuel Cells, MCFC
 Efficienza: 45-55%
 Stato tecnologico: 100 kW - 3 MW
 Reforming del combustibile: est. – int.
Vantaggi: disponibilità di calore ad alta temperatura per
impieghi di cogenerazione e trigenerazione; relativa
tolleranza alle impurità (CO può essere usato come
combustibile)
Limitazioni: degradazione dei componenti della cella a causa
della natura corrosiva dell’elettrolita; lungo tempo di start-up
Solid Oxide Fuel Cells, SOFC
 Efficienza: 45 - 60%
 Stato tecnologico: 50 kW- 1 MW
 Reforming del combustibile: esterno - interno
Vantaggi: uso del cascame di calore per cogenerazione;
relativa tolleranza alle impurità del combustibile
Limitazioni: lungo tempo di start-up; problemi di
stabilità meccanica e di durata dei componenti
Costi
Il costo attuale di uno stack ad elettrolita polimerico si aggira intorno ai 3000/5000
$/kW;
i requisiti economici per entrare nel mercato si attestano intorno ai 1000/1500 $/kW;
per essere pienamente concorrenziali con i motori a combustione interna, le celle a
combustibile dovrebbero avere un costo di 20/30 $/kW.
Veicoli a celle a combustibile
L'aspetto più delicato della trazione elettrica consiste nell'accumulo dell'energia.
Le attuali batterie sono pesanti, costose e si pone anche un serio interrogativo su
come affrontare il problema del ciclo di vita delle stesse, in particolar modo del loro
smaltimento una volta esaurite.
I veicoli ibridi (elettrici e a combustibile fossile) finora realizzati utilizzano per lo più
un motore a combustione interna per azionare un alternatore, il cui scopo è caricare
le batterie. Il rendimento complessivo rimane tuttavia modesto, a causa del
complicarsi della catena di conversione dell'energia; il vantaggio che si potrà avere
sarà in termini di emissioni inquinanti.
Del tutto nuovo è l'approccio che sta alla base delle celle a combustibile: come si è
detto, si tratta di un sistema di conversione diretta dell’energia, ovvero di un
dispositivo che produce energia elettrica senza passaggi intermedi, sfruttando
direttamente il potenziale chimico di un combustibile.
Il principale problema delle celle a combustile consiste negli ingentissimi costi
economici necessari per realizzare attività produttive in vasta scala.
Al fine di ridurre tali costi, è necessario creare una “economia dell'idrogeno”.
Per l'approvvigionamento dell'idrogeno è possibile identificare due diverse scelte
progettuali:
· produrre l'idrogeno tramite impianti stazionari e successivamente immagazzinarlo
a bordo;
· produrre l'idrogeno, just in time, direttamente all'interno del veicolo partendo da un
idrocarburo.
La prima ipotesi è più semplice per la gestione complessiva del veicolo elettrico, ma
è fortemente vincolata dall'assenza di una tecnologia matura in grado di garantire
l'immagazzinamento di grosse quantità di idrogeno in modo conveniente, sicuro e,
soprattutto, con il minor ingombro e peso possibile. Le tipologie di sistemi di
accumulo idrogeno attualmente allo studio possono essere così catalogate:
· Serbatoi in pressione: si utilizzano materiali compositi, la pressione può arrivare
fino a 350 bar.
· Idruri metallici: molti metalli hanno la capacità di assorbire all'interno del loro
reticolo cristallino idrogeno molecolare in condizioni di temperatura e pressione
prossime a quelle standard.
· Nanofibre di carbonio: la tecnologia dell'assorbimento di gas su solidi si trova
ancora allo stato embrionale, potenzialmente la densità di energia, sia in peso, sia
in volume, è paragonabile a quella dell'idrogeno liquido ma l'efficienza del sistema
di rifornimento è enormemente superiore.
· Idruri salini: gli idruri dei metalli alcalini e alcalino-terrosi presentano la
caratteristica di reagire con l'acqua dando origine ad idrogeno ed all'idrossido del
metallo di partenza.
· Idrogeno liquido: sistemi criogenici, la temperatura all’interno del serbatoio è di
qualche grado Kelvin (-250° C).
La seconda ipotesi consiste nel produrre l’idrogeno direttamente sull’autoveicolo:
presenta grosse complicazioni impiantistiche, poiché si tratterebbe di installare un
reformer (mini raffineria) in ogni veicolo circolante.
Per quanto ardua, questa seconda strada potrebbe nel medio termine
rappresentare la soluzione da perseguire poiché sarebbe totalmente compatibile
con l'attuale rete di distribuzione dei combustibili per l'autotrazione.
Emissioni
Indipendentemente dalla tipologia dei sistemi di accumulo o produzione
dell’idrogeno, le emissioni inquinanti di un veicolo a celle a combustibile sono
notevolmente inferiori a quelle di qualunque altro tipo di propulsore.
Un veicolo a celle a combustibile sarebbe in grado di rispettare le più severe
normative che siano finora state ipotizzate.