Anna Maria Chiaffitelli
Si può passare dalle esperienze di laboratorio a realizzazioni a livello preindustriale sino alla produzione commerciale. ATTUABILI A SCUOLA? 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). Reazioni elettrodiche (anodo, + ) 2 H2O H O2 + 4 H + + 4 e (catodo, -)) 4 H + + 4 e 2 H2H 2 H2O H 2 H2 H + O2O
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 Comunque, nonostante i notevoli progressi compiuti a livello mondiale per affinare la tecnologia ambientale assai ridotto con emissioni trascurabili e bassa rumorosità. 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.
Oggi sono disponibili, a differenti stadi di sviluppo, diverse filiere f di celle a combustibile FC (Fuel( 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 tuita da aria od ossigeno e da idrogeno oppure da idrocarburi (nel caso delle celle ad alta temperatura) Parametri delle celle a combustibile FC alcaline (AFC) Temperatur a media di esercizio [C ] 60-100 Rendimento elettrico dell'impianto (1) [%] 50 Temperatur a media del calore residuo (*) (2) [C ] <60 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). FC a membrana polimerica (PEM, SPFC) FC ad acido fosforico (PAFC) FC a carbonati fusi (MCFC) FC a ossidi solidi (SOFC) 60-120 180-200 600-700 800-1000 40 40 50-55 50-55 40-60 70-80 600-700 700-1000 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) ) non possono produrre nemmeno ossidi di zolfo (SOx( SOx); non essendoci 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 + O 2- = H2O + 2e - +) ½ O2 + 2e - = O 2- H2 + ½ O2 = 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).
PEMFC, DMFC PAFC AFC MCFC SOFC vantaggi semplicità di disegno materiali convenzionali velocità di risposta volumi ridotti ore di funzionamento materiali convenzionali bassa sensibilità a CO esercizio a 180 200 C ore di funzionamento materiali poco costosi catalizzatori privi di platino esercizio a 80 120 C insensibilità a impurezze catalizzatori privi di platino esercizio a 600 650 C insensibilità a impurezze uso diretto di idrocarburi catalizzatori privi di platino esercizio a 900 1000 C svantaggi costo delle membrane catalizzatori di platino esercizio a 60 90 C max sensibilità a tracce di CO basso rendimento DMFC volumi elevati catalizzatori di platino differenziale di pressione attacchi di corrosione volumi elevati differenziale di pressione aria decarbonatata o ossigeno puro volumi elevati differenziale di pressione ambiente corrosivo dilatazioni termiche 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 H2H 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, 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, 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. 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