Elevati rendimenti energetici a basso impatto ambientale

LE CELLE A COMBUSTIBILE

Ottime prospettive di assistere ad una rivoluzione globale nel modo di ottenere energia.

 A cura del Dr. Marcello Pifferi 

 Benché il principio di funzionamento fosse noto da vari decenni è solo negli ultimi anni che si è sviluppata la sperimentazione per una utilizzazione su vasta scala delle celle a combustibile .

 Una cella a combustibile è una cella elettrolitica che ha la capacità di convertire l’ energia chimica di un combustibile tramite l’ ossidazione con l’ ossigeno dell’ aria in energia elettrica direttamente utilizzabile. A differenza delle pile elettriche tradizionali queste sono capaci di funzionare ininterrottamente finché viene fornito loro carburante (in genere idrogeno) e comburente (ossigeno puro o aria) e di mantenere costante nel tempo la tensione ai poli.

La cella è essenzialmente costituita da due elettrodi in materiale adatto messi in contatto tramite un elettrolita che varia a seconda del tipo di cella.  Nel tipo più semplice gli elettrodi sono costituiti da sottili lamelle di platino a cui all’anodo viene fornito idrogeno puro e al catodo ossigeno e quale prodotto finale della reazione si ottiene soltanto acqua. Nel processo si sviluppa una corrente elettrica continua e si svolge un po’ di calore. Poiché una singola cella produce all’ incirca 0,7 eV è necessario disporre in serie diverse celle per ottenere una tensione apprezzabile.

Esistono tuttavia altri tipi di celle che non hanno bisogno di idrogeno puro per funzionare e sono quindi più adatte all’ uso industriale e di locomozione. Allo stato attuale della sperimentazione le più importanti sono:

Celle a metanolo, celle ad acido fosforico, celle a carbonati fusi, celle ad ossidi solidi

Le celle a metanolo, un alcool che si può facilmente ottenere a basso costo partendo dal carbone o da altre materie prime, potenzialmente le più interessanti per uso domestico e per piccoli generatori di elettricità, sono però ancora allo stadio di ricerca di laboratorio dovendosi risolvere una serie di problemi pratici  per il loro utilizzo. Essenzialmente queste celle utilizzano metanolo acquoso ed operano a temperature  inferiori a 100 °C risultando quindi molto adatte per l’ applicazione al trasporto urbano ed extraurbano  considerata anche la facilità di stoccaggio dell’ alcool. I prodotti finali dell’ ossidazione del metanolo con l’ ossigeno dell’ aria sono acqua e anidride carbonica e la resa elettrica è molto elevata.

Le celle ad acido fosforico operano invece a temperature di circa 200 °C e l’elettrolita è costituito da una soluzione concentrata di acido fosforico, gli elettrodi sono di platino. Il vantaggio rispetto alle celle a metanolo è che qui il combustibile può essere gas di reforming catalitico (una miscela di idrogeno, ossido di carbonio e idrocarburi vari) che si ottiene economicamente con un trattamento ad alta temperatura su adatti catalizzatori del petrolio o del gas naturale. La forte corrosività dell’ acido fosforico comporta però diversi problemi non del tutto risolti di resistenza delle celle, la sperimentazione è comunque molto avanzata e se ne prevede a medio breve termine l’ entrata in commercio.

Un terzo tipo di celle molto promettenti per generatori di media ed elevata potenza sono le celle a carbonati fusi che hanno una temperatura di esercizio di circa 650 °c ed utilizzano quale elettrolita una miscela fusa di carbonati alcalini. La cinetica di reazione a quella temperatura è molto alta per cui  non è più necessario utilizzare come catalizzatori metalli nobili quali il platino ma sono sufficienti metalli di costo molto inferiore quale il nickel. La presenza di ossido di carbonio nei gas in ingresso non è inoltre più un problema poiché a tale temperatura viene esso stesso utilizzato per produrre energia ossidandosi ad anidride carbonica.

Le celle ad ossidi solidi infine operano a temperature molto elevate (900 – 1000 °C) e sono le più adatte per generatori industriali di grande potenza in quanto possono utilizzare direttamente combustibili a basso costo quali il gas naturale ed il gas di carbone. Inoltre l’elevato calore di reazione connesso al processo può essere utilizzato per far funzionare delle turbine esterne raggiungendo efficienze energetiche elevatissime. Gli elettrodi in questo caso sono costituiti da ossidi di nickel e di zirconio all’ anodo mentre al catodo si utilizzano composti ossigenati di manganese e lantanio.

Riepilogando possiamo dunque affermare che la metodica delle celle a combustibile è estremamente interessante sia per gli elevatissimi rendimenti energetici che per il ridottissimo inquinamento ambientale molto inferiore ai metodi tradizionali. Di contro ci sono la ancora troppo ridotta sperimentazione ed i costi di impianto troppo elevati. Con l’avanzare della ricerca e la produzione in serie a livello industriale ci sono però ottime prospettive di assistere a breve ad una rivoluzione globale nel modo di ottenere energia.