CELLE A COMBUSTIBILE

Transcript

1 Anno accademico 2003/2004 CELLE A COMBUSTIBILE Introduzione La combinazione elettrochimica tra idrogeno e ossigeno genera elettricità: è questo il principio su cui si basa la tecnologia delle celle a combustibili, una delle principali fonti di energia pulite del futuro. Esistono tuttavia alcuni ostacoli oggettivi tra cui dimensioni e costi. Il loro principio di funzionamento, così come la geometria costruttiva, è assimilabile a quello di una pila redox con la differenza che i reagenti non sono immagazzinati all interno della stessa ma vengono forniti dall esterno, inoltre né l elettrolita né gli elettrodi vengono consumati durante la reazione; quindi in sede ideale l autonomia di funzionamento dipende unicamente dalle scorte dei reagenti, che, come accennato, vengono immagazzinati all'esterno della cella. La reazione è quindi una ossidoriduzione, pertanto le specie chimiche da poter utilizzare come combustibile sono in teoria molte, l unico parametro richiesto è una elevata reattività elettrochimica tale da consentire un potenziale di Nerst di almeno 1V. 1

2 Principio di funzionamento Si tratta di un dispositivo relativamente semplice composto da due elettrodi (anodo e catodo) tra cui sono posti un polimero speciale con funzione di elettrolita e un catalizzatore. Un combustibile contenente idrogeno fluisce verso l anodo dove l atomo di idrogeno, grazie all azione del catalizzatore si divide in protone ed elettrone che seguono strade differenti. Il protone passa attraverso l elettrolita; l elettrone, invece, viene utilizzato per creare una corrente elettrica prima di tornare verso il catodo dove si ricongiunge al protone e all ossigeno presente, formando vapore acqueo, e quindi acqua come sostanza di scarico. L ossigeno viene generalmente prelevato direttamente dall aria, mentre l idrogeno è fornito da un sistema chiamato reformer in grado di scomporre un combustibile fossile e solo le celle ad ossidi solidi e quelle a carbonati fusi possono accettare il gas naturale come combustibile. Uno dei vantaggi è proprio quello di poter usufruire di una grande varietà di fonti a partire dall ammoniaca, metano, derivati del petrolio, propano liquido per arrivare ai combustibili rinnovabili come l etanolo, il metanolo e le biomasse. Inutile nascondere che anche i reformer rilasciano sostanze inquinanti decomponendo il combustibile per produrre idrogeno ma rispetto a una convenzionale turbina a combustione alimentata, per esempio, a gas le emissioni sono notevolmente inferiori: da un decimo a un millesimo a seconda della specifica sostanza inquinante e di come le emissioni vengono limitate all uscita della turbina. Gli elettrodi della cella hanno una struttura porosa per permettere una rapida diffusione dei reagenti nell elettrolita, la dimensione dei pori è generalmente compresa tra i 2 e i 50µm. Questo tipo di struttura manifesta uno sviluppo superficiale diversi ordini di grandezza superiore rispetto agli elettrodi convenzionali; disporre di una superficie molto estesa significa quindi poter realizzare un gran numero di siti attivi ovvero di zone in cui far avvenire la reazione. 2

3 Mediante l'utilizzo di catalizzatori si riesce ad ottenere una eccezionale cinetica chimica e conseguentemente un elevata densità di corrente superficiale. Agli elettrodi spetta anche il compito di asportare i prodotti di reazione e talvolta anche l acqua in eccesso proveniente dal sistema di umidificazione dell elettrolita L elettrolita ha il compito di trasportare le specie ioniche tra anodo e catodo, è richiesto un elevato valore di conducibilità elettrica ed una buona stabilità della composizione chimica, esso può avere natura acida o basica, generalmente è l elemento preso a riferimento per classificare le varie tipologie di celle a combustibile, la figura che segue mostra una schematizzazione del funzionamento di una Fuel Cell. 3

4 La tensione di una singola cella non è ovviamente compatibile con le richieste di un utilizzatore finale, si realizzano quindi stack di 20, 50, 100 o più celle con connessione elettrica in serie al fine di elevare la tensione e quindi la potenza prodotta. L alimentazione dei reagenti è invece in parallelo al fine di inviare ad ogni elemento una miscela gassosa con stessa concentrazione efficace. Risulta estremamente difficile riuscire a soddisfare questa ultima specifica, poiché soprattutto in stack con un gran numero di celle anche piccolissime perdite di carico nelle linee di alimentazione dei reagenti possono portare ad uno squilibrio nella distribuzione dei fluidi compromettendo il buon funzionamento non solo di una singola cella ma di tutto lo stack. Per la reazione alla base del funzionamento delle celle a combustibile si ha, nell ipotesi di funzionamento in condizioni standard un voltaggio della cella E 0 = V. 4

5 Nella realtà, tenendo conto di condizioni di esercizio medio e dei meccanismi di perdita la tensione di cella è E=0.7 V con I = 300mA, a causa di perdite dovute all irreversibilità dei processi e riassumibili in: - Polarizzazione ohmica: dovute a fenomeni di resistenza al passaggio degli elettroni negli elettrodi e degli ioni nell elettrolita. - Polarizzazione per concentrazione: dovute alla rapidità del consumo dei reagenti agli elettrodi ed allo stabilirsi di gradienti di concentrazione. - Polarizzazione per attivazione: fa riferimento al superamento di una tensione di soglia iniziale Vact similmente a quanto accade in riferimento alla polarizzazione per concentrazione. L effetto della temperatura inoltre sulle prestazioni e tensioni nelle diverse tipologie di celle a combustibile è la seguente: 5

6 La cella a combustibile fornisce corrente continua: solo un dispositivo chiamato invertitore può generare corrente alternata prima che l elettricità possa avere un impiego domestico o commerciale. Sia nell invertitore sia nel reformer si perde energia, specie in forma di calore. Benché le celle a combustibile possano avere efficienze superiori al 45% nella conversione da combustibile a corrente elettrica, le perdite di energia nell invertitore e nel reformer possono ridurre l efficienza complessiva di circa il 40%. Tuttavia si può recuperare il calore dissipato per scaldare l acqua o l aria. Spesso si crede che le celle a combustibile per impianti fissi debbano essere molto più potenti di quelle impiegate per alimentare le auto. In realtà una cella di soli kw può soddisfare le esigenze di una casa di grandi dimensioni o di un piccolo esercizio commerciale. 6

7 Fonti industriali stimano che negli USA le vendite di celle per abitazioni potranno toccare i 50 miliardi di dollari entro il 2030, una visione che a molti osservatori pare eccessivamente ottimistica. Al momento non esistono abitazioni monofamiliari alimentate energeticamente da celle a combustibile, salvo tre impianti dimostrativi della Power System. Il decollo nel settore delle piccole utenze resta comunque legato ai costi attualmente troppo elevati, per prevedere una rapida affermazione di questa tecnologia. Progetto L idrogeno è la più grande risorsa disponibile in natura ed è in grado di produrre un combustibile che non inquina. Dagli anni Sessanta è impiegato per le missioni spaziali della NASA e potrebbe essere un ottima fonte energetica per le nostre autovetture: alcune tra le maggiori case automobilistiche - Daimler Chrysler, Ford, Nissan, FIAT hanno già annunciato la commercializzazione di auto alimentate a idrogeno a partire da quest anno. 7

8 Parallelamente si stanno considerando possibilità di impiego di idrogeno in ambito domestico per produrre energia elettrica a celle a combustibile e calore. Attualmente questa tecnologia garantisce potenzialmente un funzionamento pulito, silenzioso ed efficiente e viene proposta anche per alimentare cellulari, computer portatili. 8

9 Quali sono le problematiche? Prima di tutto la reperibilità della fonte di combustibile. L idrogeno non è una fonte primaria come lo è il gas naturale, il petrolio, il carbone, l uranio. In pratica, in natura, l idrogeno non si trova se non in modeste quantità allo stato puro, mentre è abbondante in forma combinata con altre sostanze, come nell acqua con l ossigeno e nel gas naturale con il carbonio. La separazione da queste sostanze è un processo che richiede energia. La produzione di idrogeno è il collo di bottiglia di un sistema che assicurerebbe aria pulita, ottimi rendimenti energetici e disponibilità praticamente illimitate. Dal punto di vista ambientale la combustione dell idrogeno manifesta la maggiore compatibilità ambientale, in quanto bruciando nell aria produce vapore acqueo e una piccola frazione di ossidi di azoto, la cui emissione può essere annullata mediante combustione con ossigeno puro. L idrogeno si può ricavare dall acqua per elettrolisi, ma è necessario impiegare quantità considerevoli di energia elettrica tali da rendere l operazione poco conveniente. Si stanno sviluppando e perfezionando sistemi che utilizzano fonti rinnovabili di energia (solare, idroelettrica, eolica, biomasse). Allo stato attuale, tuttavia, la strada maestra per ottenere l elemento idrogeno è quello di ottenerlo dagli idrocarburi. Il processo di raffinazione - meglio conosciuto come reforming può essere svoltò presso centri specializzati e l idrogeno ricavato distribuito successivamente alle stazioni di rifornimento sparse sul territorio. Le celle a combustibile potrebbero assumere un ruolo strategico nella generazione elettrica sia nel settore civile che in quello industriale grazie ad alcune peculiarità che le caratterizzano: elevato rendimento di conversione; 9