Una cella a combustibile è un dispositivo in grado di convertire l’energia chimica di un combustibile, generalmente l’idrogeno, direttamente in energia elettrica, con produzione simultanea di calore. Essa è costituita principalmente da due elettrodi, l’anodo e il catodo, separati da un elettrolita.
La reazione di ossidazione del combustibile è suddivisa in due semireazioni che avvengono separatamente sui due elettrodi. Questo processo è reso possibile dal passaggio degli ioni attraverso la membrana elettrolitica e dal flusso degli elettroni lungo un circuito elettrico esterno che collega anodo e catodo. Il movimento degli elettroni nel circuito esterno genera una corrente elettrica utilizzabile per alimentare dispositivi elettrici.
Celle a combustibile e batterie
La principale differenza tra batterie e celle a combustibile risiede nel modo in cui l’energia viene fornita. Le batterie immagazzinano energia al loro interno e possiedono una capacità energetica limitata, determinata dalla quantità di reagenti disponibili. In esse, gli elettroni sono accumulati all’anodo e non possono raggiungere il catodo a causa della presenza dell’elettrolita. Quando la batteria viene collegata a un circuito esterno, gli elettroni fluiscono verso il catodo generando corrente elettrica. Una cella a combustibile, invece, non accumula energia ma la produce in modo continuo, purché vengano costantemente forniti combustibile e ossidante ai due elettrodi.
Celle a combustibile e sistemi termodinamici classici
Sia le celle a combustibile sia i sistemi termodinamici tradizionali sono sistemi aperti, nei quali un combustibile reagisce con un ossidante, tipicamente l’aria. Nelle celle a combustibile l’energia chimica viene convertita direttamente in energia elettrica attraverso una reazione elettrochimica. Nei sistemi termodinamici classici, invece, l’energia chimica viene inizialmente trasformata in calore mediante combustione; il calore viene poi convertito in energia meccanica tramite una macchina termica, che a sua volta deve essere trasformata in energia elettrica. Poiché ogni passaggio di conversione energetica comporta inevitabili perdite, un numero minore di trasformazioni consente di ottenere rendimenti più elevati. Il rendimento massimo teorico di una macchina termica è quello del ciclo di Carnot, che tuttavia non è realizzabile nella pratica.
Efficienza di una cella a combustibile
L’efficienza di una cella a combustibile non è soggetta al limite di Carnot, poiché la conversione dell’energia chimica in energia elettrica avviene tramite una reazione elettrochimica e non attraverso un ciclo termico. Nel caso di una cella a combustibile alimentata a idrogeno, la reazione chimica complessiva può essere espressa come:
H₂ + ½ O₂ → H₂O + energia
Esistono diverse tipologie di celle a combustibile, che si differenziano in base ai materiali impiegati nella loro realizzazione, al combustibile utilizzato e alle condizioni operative, quali temperatura e pressione. L’esempio riportato fa riferimento a una PEM fuel cell (Proton Exchange Membrane), una tecnologia che opera a bassa temperatura, tipicamente compresa tra 60 e 80 °C, e che utilizza idrogeno puro come combustibile.
Funzionamento
Ecco in sintesi i punti chiave di una cella a idrogeno, ne riportiamo il funzionamento e vantaggi e scavntaggi. Essenzialmente il processo chiave si basa su una reazione elettrochimica:
- Alimentazione: L’idrogeno H₂ entra nell’anodo, mentre l’ossigeno O₂ dell’aria entra nel catodo.
- Separazione: Un catalizzatore (spesso platino) scinde l’idrogeno in protoni H+ ed elettroni e-.
- Migrazione: La membrana (elettrolita) permette il passaggio solo ai protoni verso il catodo.
- Circuito esterno: Gli elettroni, non potendo attraversare la membrana, passano attraverso un circuito esterno, creando corrente elettrica per alimentare un qualsivoglia carico utilizzatore.
- Ricombinazione: Al catodo, protoni, elettroni e ossigeno si uniscono per formare acqua H₂O e calore.
Componenti principali
- Anodo (Polo negativo): Riceve l’idrogeno.
- Catodo (Polo positivo): Riceve l’ossigeno.
- Elettrolita (Membrana PEM): Permette il passaggio dei protoni.
- Catalizzatore: Accelera le reazioni.
Vantaggi e svantaggi
- Vantaggi: Emissioni zero (solo vapore acqueo), alta efficienza (fino all’80%), rapidità di rifornimento, elevata autonomia.
- Svantaggi: Elevato costo, limitate infrastrutture di rifornimento, alta reattività/infiammabilità dell’idrogeno. Per il momento questa tecnologia è utilizzata principalmente in veicoli per l’autotrazione sostenibile.
Auto a idrogeno
La prima applicazione pratica che può trovare questa tecnologia è la motorizzazione delle auto e del trasporto pubblico. Nei fatti si può immaginare che questa tecnologia ha evidenti vantaggi economici a patto di investire nella ricerca per la produzione e stoccaggio dell’idrogeno. Ad oggi la sua produzione è costosa così come il suo trasporto e stoccaggio. Per il momento possiamo solo analizzarne il funzionamento e le sue principali caratteristiche:
- Cella a combustibile (Fuel Cell): L’idrogeno reagisce con l’ossigeno nell’aria, producendo energia elettrica e vapore acqueo, senza combustione.
- Componenti: Oltre alla cella, includono un piccolo pacco batteria per gestire frenata rigenerativa e picchi di potenza.
- Rifornimento: Avviene a una pressione di 700 bar, in pochi minuti si fa il pieno consentendo autonomie paragonabili alle auto a benzina (circa 500-800 km).
- Vantaggi: Emissioni zero, tempi di rifornimento brevi.
- Svantaggi: Infrastruttura di rifornimento scarsa, alto costo del veicolo (oltre 70.000-80.000 €).
Tanti sono i motivi che non spingono gli investimenti nello sviluppo dei motori a idrogeno. Perchè le case automobilistiche non sviluppano modelli con motori che si alimentano a idrogeno?
Il mercato mondiale delle auto a idrogeno
In tutto il mondo, nel 2023, sono stati venduti 15000 modelli di auto a idrogeno. Nonostante il grosso potenziale e le evidenti implicazioni tecnico scientifiche, le vendite globali rimangono basse. La tenologia c’è, è sicura e case automobilistiche hanno gà introdotto dei modelli che funzionano con questa innovativa tecnologia.
- Riorganizzazione degli investimenti dal petrolio a questa nuova fonte di energia;
- Esaurimento delle scorte di petrolio;
- Distribuzione della nuova fonte di energia;
- Riorganizzazione del sistema produttivo dei motori e generatori a idrogeno.
Tutto questo ha portato ad un rallentamento dello sviluppo e produzione di motori a idrogeno. Questa rivoluzione coinvolgerà, per non dire sconvolgerà, il mondo della produzione dell’energia. Queste evidenti implicazioni ricadono ancora una volta sull’ambiente e sulle vite dei comuni cittadini del pianeta terra. Le auto a idrogeno sono state prodotte di serie da due grosse case automobilistiche Toyota e Hyundai che ci hanno creduto e hanno spinto in avanti la ricerca tecnologica. Ovviamente lo hanno fatto per primeggiare in un mercato innovativo. Ne abbiamo parlato in un approfondimento in questo blog. Di fatto le vendita delle auto a idrogeno ha avuto una contrazione nel 2023-2024 che ha portato alla chiusura di stazioni di rifornimento in alcune aree. Parliamo del Giappone e Germania dove è stata avviata la sperimentazione. La tecnologia è vista come alternativa all’elettrico a batteria, specialmente per lunghe percorrenze, ma deve ancora affrontare sfide legate ai costi di produzione dell’idrogeno e alla diffusione delle stazioni di rifornimento.