Oggi, il mondo sta correndo verso un futuro di energia sostenibile. Sebbene il vincitore finale sia sconosciuto, l'idrogeno è emerso come un chiaro favorito, offrendo numerose possibilità per la produzione, la distribuzione e l'applicazione dell'energia. Per risolvere il mistero dei vantaggi delle celle a combustibile del titolo, iniziamo con cosa sono le celle a combustibile e i loro tipi e poi scopriremo tutto sui loro vantaggi e svantaggi.
Le celle a combustibile esistono da oltre 150 anni e forniscono una fonte di energia infinita, ecologicamente sicura e costantemente disponibile. Quindi, perché non vengono ancora utilizzate ovunque? Fino a poco tempo fa, era dovuto al costo. Le celle erano proibitivamente costose da produrre. Non è più così.
Cosa sono le celle a combustibile?
Una cella a combustibile è un dispositivo elettrochimico che converte l'energia chimica in corrente elettrica utilizzabile . Ogni cella a combustibile ha due elettrodi, noti come anodo e catodo. Gli elettrodi sono il luogo in cui avvengono le reazioni che generano elettricità.
Ogni cella a combustibile contiene anche un elettrolita, che trasporta particelle cariche elettricamente da un elettrodo all'altro, e un catalizzatore, che accelera le reazioni agli elettrodi. Sebbene l'idrogeno sia il combustibile più semplice, le celle a combustibile richiedono anche ossigeno. Uno degli aspetti più interessanti delle celle a combustibile è che producono pochissimo inquinamento: gran parte dell'idrogeno e dell'ossigeno necessari per generare energia si mescolano formando un sottoprodotto innocuo, principalmente acqua.
Una singola cella a combustibile produce una quantità trascurabile di elettricità a corrente continua (DC). In pratica, più celle a combustibile vengono spesso impilate insieme. I concetti sono gli stessi sia in una cella che in una pila. Dopo questo, esploriamo i vantaggi e gli svantaggi delle celle a combustibile.
4 vantaggi e svantaggi delle celle a combustibile
Sir William Robert Grove, giudice, inventore e scienziato gallese, inventò la prima cella a combustibile nel 1839. Creò elettricità e acqua combinando idrogeno e ossigeno in presenza di un elettrolita. L'innovazione, in seguito nota come cella a combustibile, non generava abbastanza elettricità per essere utile. Analizziamo quindi alcuni vantaggi e svantaggi delle celle a combustibile.
Vantaggi
1. Non necessita di ricarica
Una cella a combustibile non ha bisogno di essere ricaricata. Una cella a combustibile può replicare energia finché non viene rifornita di carburante.
2. Nessun problema di salute
Le celle a combustibile non sono pericolose e non causano problemi di salute perché non producono fumo o smog durante il funzionamento.
3. Efficiente
Le celle a combustibile sono estremamente efficienti perché possono trasformare l'energia chimica direttamente in energia elettrica. Rispetto ad altre alternative di mercato accessibili, le celle a combustibile sono più efficienti del 60%.
4. Senza inquinamento
Le celle a combustibile non hanno alcun impatto negativo sull'inquinamento atmosferico. Questo è uno dei vantaggi più evidenti tra gli altri vantaggi delle celle a combustibile. Poiché una cella a combustibile non ha parti meccaniche, è completamente silenziosa, quindi non c'è inquinamento acustico.
Se si utilizza l'idrogeno come combustibile di input, gli unici sottoprodotti osservati sono acqua, calore ed elettricità, con il risultato di ottenere la massima efficienza e nessuna emissione di materiali nocivi.
Svantaggi
1. Costoso e non duraturo
Come i vantaggi delle celle a combustibile, hanno anche degli svantaggi. Ad esempio, sono piuttosto costose in natura. Le celle a combustibile hanno una durata di vita più breve.
2. Difficile da conservare
Le celle a combustibile sono difficili da immagazzinare poiché il combustibile utilizzato in esse deve essere mantenuto a una temperatura e a una pressione specifiche.
3. Pericoloso e non sicuro
L'idrogeno è un combustibile molto infiammabile, il che solleva evidenti problemi di sicurezza. Nell'aria, il gas idrogeno brucia in concentrazioni che vanno dal 4 al 75%.
4. Difficile da estrarre
Nonostante sia l'elemento più abbondante nell'Universo, l'idrogeno non esiste da solo, quindi deve essere raccolto dall'acqua tramite elettrolisi o isolato dai combustibili fossili a base di carbonio. Entrambi questi approcci richiedono una notevole quantità di energia per essere completati.
Questa energia può essere più costosa di quella ricavata dall'idrogeno stesso. Inoltre, in assenza di CCS, questa estrazione spesso richiede l'uso di combustibili fossili, minando le credenziali ecologiche dell'idrogeno.
Quali sono i vari tipi di celle a combustibile?
Dopo aver appreso i vantaggi e gli svantaggi delle celle a combustibile, vediamo anche i vari tipi di celle a combustibile. La distinzione principale tra le celle a combustibile risiede nel tipo di elettrolita utilizzato . Questa classificazione definisce il tipo di:
- Processi elettrochimici che avvengono nella cellula
- Il tipo di catalizzatori necessari
- L'intervallo di temperatura in cui funziona la cella
- Il carburante necessario e altri criteri.
Queste proprietà, a loro volta, influenzano le applicazioni per cui queste celle sono più adatte. Sono attualmente in fase di sviluppo diverse varietà di celle a combustibile, ciascuna con il proprio set di vantaggi, limitazioni e possibili applicazioni. Scopri di più sui tipi di celle a combustibile di seguito.
1. Celle a combustibile polimeriche a membrana elettrolitica
Le celle a combustibile a membrana a elettrolita polimerico (PEM), note anche come celle a combustibile a membrana a scambio protonico, presentano un'elevata densità di potenza, un peso ridotto e un volume contenuto rispetto alle celle a combustibile convenzionali. L'elettrolita delle celle a combustibile PEM è un polimero solido , mentre gli elettrodi sono costituiti da carbonio poroso con un catalizzatore in platino o lega di platino. Per funzionare, necessitano semplicemente di idrogeno, ossigeno presente nell'aria e acqua. Sono generalmente alimentate da idrogeno puro fornito da serbatoi di stoccaggio o da riformatori.
Le celle a combustibile PEM funzionano a basse temperature , tipicamente intorno agli 80 °C (176 °F). Il funzionamento a bassa temperatura consente un avvio rapido (con tempi di riscaldamento ridotti) e riduce l'usura dei componenti del sistema, con conseguente maggiore durata. Tuttavia, richiede l'utilizzo di un catalizzatore a base di metalli nobili (solitamente platino) per separare gli elettroni e i protoni dell'idrogeno, il che aumenta il costo del sistema. Poiché il catalizzatore al platino è particolarmente sensibile all'avvelenamento da monossido di carbonio, è necessario un reattore aggiuntivo per rimuovere il monossido di carbonio dal gas combustibile se l'idrogeno viene prodotto da un combustibile idrocarburico. Anche questo reattore è costoso.
Le celle a combustibile PEM sono impiegate principalmente nel settore dei trasporti e in alcune applicazioni stazionarie. Sono particolarmente adatte all'utilizzo in applicazioni automobilistiche come automobili, autobus e autocarri pesanti.
2. Celle per combustibile diretto al metanolo
La maggior parte delle celle a combustibile è alimentata a idrogeno, che può essere fornito direttamente al sistema o prodotto all'interno del sistema tramite il reforming di combustibili ricchi di idrogeno come metanolo, etanolo e idrocarburi. Tuttavia, le celle a combustibile a metanolo diretto (DMFC) sono alimentate da metanolo puro , che in genere viene miscelato con acqua e fornito direttamente all'anodo della cella a combustibile.
Poiché il metanolo ha una densità energetica superiore a quella dell'idrogeno, pur essendo inferiore a quella della benzina o del gasolio, le celle a combustibile a metanolo diretto (DMFC) evitano molti dei problemi di stoccaggio del carburante che affliggono alcuni sistemi a celle a combustibile. Essendo un liquido, come la benzina, il metanolo è anche più facile da trasportare e distribuire al pubblico utilizzando le infrastrutture esistenti. Le DMFC sono spesso utilizzate per alimentare dispositivi portatili come telefoni cellulari e computer portatili.
3. Celle per combustibile alcalino
Le celle a combustibile alcaline (AFC) sono state tra le prime tecnologie di celle a combustibile inventate e sono state il primo tipo ampiamente impiegato nel programma spaziale degli Stati Uniti per generare energia elettrica e acqua a bordo dei veicoli spaziali. L'elettrolita in queste celle a combustibile è una soluzione di idrossido di potassio in acqua , e l'anodo e il catodo possono essere costituiti da diversi metalli non preziosi.
Una sfida significativa per questo tipo di cella a combustibile è la sua suscettibilità all'avvelenamento da anidride carbonica (CO2). Infatti, anche tracce minime di CO2 nell'aria possono avere un impatto significativo sulle prestazioni e sulla durata della cella a causa della produzione di carbonati. Le celle alcaline con elettroliti liquidi possono funzionare in modalità a ricircolo, che consente la rigenerazione dell'elettrolita per contribuire a ridurre gli effetti della produzione di carbonati nell'elettrolita, ma introduce anche problemi di corrente di shunt.
Tra le problematiche aggiuntive dei sistemi a elettrolita liquido si annoverano la bagnabilità, l'aumento della corrosione e le difficoltà nel controllo delle pressioni differenziali. Queste difficoltà vengono superate dalle celle a combustibile a membrana alcalina (AMFC), che sono meno suscettibili all'avvelenamento da CO2 rispetto alle celle a combustibile a membrana alcalina con elettrolita liquido. Tuttavia, la CO2 continua ad avere un impatto sulle prestazioni, e le prestazioni e la durata delle AMFC risultano inferiori a quelle delle PEMFC.
Le celle a combustibile a membrana a scambio anionico (AMFC) sono oggetto di studio per applicazioni che vanno dai W ai kW. La tolleranza all'anidride carbonica, la conduttività e la durata della membrana, il funzionamento ad alte temperature, la gestione dell'acqua, la densità di potenza e l'elettrocatalisi dell'anodo rappresentano tutte sfide per le AMFC.
4. Cellule di acido fosforico
Le celle a combustibile a ossido solido (PAFC) utilizzano acido fosforico liquido come elettrolita (l'acido è contenuto in una matrice di carburo di silicio legata al teflon) ed elettrodi di carbonio poroso con un catalizzatore di platino. Il diagramma a destra illustra le reazioni elettrochimiche che avvengono nella cella.
La PAFC è considerata una cella a combustibile di "prima generazione" tra quelle moderne. È uno dei tipi di celle più sviluppati e il primo ad essere commercializzato. Sebbene questo tipo di cella a combustibile sia normalmente utilizzato per generare energia stazionaria, alcune PAFC sono state impiegate per alimentare veicoli di grandi dimensioni come gli autobus urbani.
Le celle a combustibile PAFC sono più resistenti alle impurità presenti nei combustibili fossili riformati rispetto alle celle PEM, che vengono facilmente "avvelenate" dal monossido di carbonio poiché quest'ultimo si lega al catalizzatore di platino all'anodo, riducendo l'efficienza della cella a combustibile. Le celle a combustibile PAFC hanno un'efficienza superiore all'85% quando vengono utilizzate per generare sia elettricità che calore, ma sono meno efficienti quando vengono utilizzate per generare solo elettricità (37%-42%).
L' efficienza delle celle a combustibile a ossido di platino (PAFC) è solo leggermente superiore a quella delle centrali elettriche a combustione, che normalmente operano con un'efficienza intorno al 33%. A parità di peso e volume, le PAFC sono anche meno potenti di altre celle a combustibile. Pertanto, queste celle a combustibile sono in genere grandi e pesanti. Le PAFC sono inoltre costose. Richiedono carichi di catalizzatore al platino sostanzialmente maggiori rispetto ad altre tipologie di celle a combustibile, il che ne aumenta il costo.
5. Celle a combustibile per carbonato fuso
Le celle a combustibile a carbonati fusi (MCFC) sono in fase di sviluppo per le centrali elettriche a gas naturale e a carbone, nonché per applicazioni nel settore elettrico, industriale e militare. Le MCFC sono celle a combustibile ad alta temperatura che utilizzano un elettrolita costituito da sali di carbonato fuso immersi in una matrice ceramica porosa e chimicamente inerte di ossido di litio e alluminio. I metalli non preziosi possono essere impiegati come catalizzatori all'anodo e al catodo, poiché funzionano ad alte temperature di 650 °C (circa 1,200 °F).
Un altro motivo per cui le MCFC offrono un notevole risparmio sui costi rispetto alle celle a combustibile ad acido fosforico è la maggiore efficienza . Se abbinate a una turbina, le celle a combustibile a carbonato fuso possono raggiungere efficienze prossime al 65%, significativamente superiori al 37%-42% delle celle a combustibile ad acido fosforico. L'efficienza complessiva del combustibile può superare l'85% quando il calore di scarto viene recuperato e riutilizzato.
Le MCFC non necessitano di un riformatore esterno per convertire il gas naturale e il biogas in idrogeno. Poiché le MCFC operano ad alte temperature, il metano e gli altri idrocarburi leggeri presenti in questi combustibili vengono trasformati in idrogeno all'interno della cella stessa tramite un processo noto come reforming interno, che consente anche un risparmio economico.
Il principale svantaggio dell'attuale tecnologia MCFC è la sua breve durata . Le elevate temperature di esercizio di queste celle, insieme all'elettrolita caustico utilizzato, accelerano il deterioramento e la corrosione dei componenti, riducendo la durata delle celle. Gli scienziati stanno attualmente studiando materiali resistenti alla corrosione per i componenti, nonché progetti di celle a combustibile in grado di raddoppiare la durata delle celle dalle attuali 40,000 ore (cinque anni) senza comprometterne le prestazioni.
6. Celle per combustibile a ossido solido
Nelle celle a combustibile a ossido solido (SOFC), l' elettrolita è costituito da una ceramica densa e non porosa . Le SOFC convertono il combustibile in elettricità con un'efficienza di circa il 60%. L'efficienza complessiva di utilizzo del combustibile potrebbe superare l'85% nei sistemi progettati per catturare e utilizzare il calore di scarto del sistema (cogenerazione).
Le SOFC funzionano a temperature estremamente elevate , fino a 1,000 °C (1,830 °F). Il funzionamento ad alta temperatura elimina la necessità di un catalizzatore a base di metalli preziosi, riducendo i costi. Permette inoltre alle SOFC di riformare i combustibili internamente, consentendo l'utilizzo di una gamma più ampia di combustibili e riducendo la spesa per l'aggiunta di un riformatore al sistema.
Le SOFC sono anche il tipo di cella a combustibile più resistente allo zolfo, in grado di sopportare ordini di grandezza di zolfo in più rispetto ad altri tipi di celle. Inoltre, non vengono danneggiate dal monossido di carbonio, che può anche essere utilizzato come combustibile. Questa caratteristica consente alle SOFC di utilizzare gas naturale, biogas e gas derivati dal carbone. Ci sono degli svantaggi nel funzionare ad alte temperature.
Ciò comporta un avvio ritardato e richiede un'ampia schermatura termica per preservare il calore e proteggere i dipendenti, il che va bene per le applicazioni di pubblica utilità ma non per il trasporto. A causa delle elevate temperature di esercizio , i materiali devono soddisfare severi standard di durabilità. La principale difficoltà tecnica per questa tecnologia è lo sviluppo di materiali a basso costo con elevata resistenza alle temperature di esercizio delle celle.
Gli scienziati stanno ora studiando la possibilità di costruire SOFC a temperatura più bassa che funzionino a 700 °C o al di sotto, abbiano meno problemi di durata e siano meno costosi. Le SOFC a temperatura più bassa non hanno ancora eguagliato le prestazioni dei sistemi a temperatura più alta e i materiali di stack per questo intervallo di temperatura più bassa sono ancora in fase di sviluppo.
7. Celle a combustibile reversibili
Le celle a combustibile reversibili, come quelle convenzionali, producono elettricità a partire da idrogeno e ossigeno, generando al contempo calore e acqua come sottoprodotti. I sistemi a celle a combustibile reversibili, tuttavia, possono utilizzare l'elettricità proveniente da fonti solari, eoliche o di altro tipo per scindere l'acqua in ossigeno e idrogeno, un combustibile prodotto da un processo noto come elettrolisi.
Le celle a combustibile reversibili possono produrre elettricità quando necessario, ma durante i periodi di elevata produzione di energia da altre tecnologie (ad esempio, quando forti venti determinano un surplus di energia eolica disponibile), possono immagazzinare l'energia in eccesso sotto forma di idrogeno. Questa capacità di accumulo di energia ha il potenziale per rivoluzionare le tecnologie per le energie rinnovabili intermittenti. Ora, vediamo il principio di funzionamento delle celle a combustibile.
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Qual è il principio di funzionamento delle celle a combustibile?
Dopo aver appreso i vantaggi delle celle a combustibile, è importante conoscere anche il loro principio di funzionamento. Una cella a combustibile è composta da due elettrodi, un anodo e un catodo, separati da una membrana elettrolitica. Idrogeno, metano, etano, etanolo e altri combustibili organici possono essere utilizzati in una cella a combustibile per generare elettricità. Questi combustibili subiscono una combustione incompleta ed emettono calore come sottoprodotto. La maggior parte di queste reazioni sono di tipo redox e producono acqua e anidride carbonica come sottoprodotti.
Il trasporto di elettroni nelle reazioni redox determina la conversione di energia chimica in energia elettrica. Tra gli elettrodi si trova una sostanza elettrolitica. Il carburante viene erogato a ciascun elettrodo separatamente. Supponiamo che in una cella a combustibile, l'idrogeno venga erogato all'anodo e l'aria venga immessa nel catodo. In questo caso, il catalizzatore sul lato dell'anodo della cella tende a scomporre le molecole di idrogeno in particelle più piccole, come protoni ed elettroni.
Entrambi gli elementi tentano di viaggiare verso il catodo tramite percorsi distinti. Gli elettroni seguono un canale esterno al catodo, fornendo corrente, mentre i protoni passano attraverso la membrana elettrolitica al catodo, dove reagiscono con le molecole di ossigeno e gli elettroni per formare acqua e calore come sottoprodotti.
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Elenca alcune applicazioni delle celle a combustibile
Diamo un'occhiata a dieci utilizzi delle celle a combustibile a idrogeno, alcuni dei quali potrebbero non conoscerti!
1. Gestione del magazzino: diverse grandi organizzazioni di magazzinaggio e distribuzione si stanno orientando verso le celle a combustibile a idrogeno per alimentare camion, carrelli elevatori, transpallet e altre attrezzature a basse emissioni.
2. Distribuzione internazionale: le celle a combustibile offrono l'autonomia e la potenza necessarie per il trasporto a lunga distanza e la distribuzione locale. Nikola, Hyundai, Toyota, Kenworth e UPS stanno già producendo autocarri e furgoni alimentati a idrogeno.
3. Autobus: L'energia a idrogeno è oggetto di studio per l'utilizzo in diverse modalità di trasporto pubblico, compresi gli autobus a celle a combustibile a idrogeno. Diverse grandi città hanno sperimentato autobus alimentati a idrogeno, tra cui Chicago, Vancouver, Londra e Pechino.
4. Treni: I treni a celle a combustibile a idrogeno sono ormai arrivati in Germania e si prevede che altri modelli arriveranno nel Regno Unito, in Francia, in Italia, in Giappone, in Corea del Sud e negli Stati Uniti nei prossimi cinque anni.
5. Veicoli individuali: Nove importanti case automobilistiche stanno lavorando su veicoli elettrici a celle a combustibile a idrogeno (HFCEV) per uso personale. Toyota Mirai, Honda Clarity, Hyundai Nexo e BMW i Hydrogen Next sono tra i modelli più noti.
6. Aeroplani: Diversi progetti sperimentali, tra cui i prototipi Pathfinder e Helios, hanno studiato l'utilizzo di celle a combustibile a idrogeno in ambito aerospaziale. Questi velivoli senza pilota a lungo raggio utilizzavano un sistema ibrido con celle a combustibile a idrogeno alimentate da pannelli solari, consentendo teoricamente un volo continuo, di giorno e di notte, senza limiti di tempo.
7. Generazione di energia di riserva: le celle a combustibile stazionarie vengono utilizzate nei sistemi di alimentazione ininterrotta (UPS) dove è importante garantire un funzionamento continuo. Ospedali e data center si stanno rivolgendo sempre più all'idrogeno per l'alimentazione ininterrotta. Microsoft ha recentemente fatto notizia per il successo di un test dei suoi nuovi generatori di backup a idrogeno, che hanno permesso a un server di un data center di funzionare esclusivamente a idrogeno per due giorni.
8. Generazione di energia mobile: l'idrogeno offre numerose opzioni per la generazione di energia mobile. La NASA, infatti, ha prodotto alcune delle prime celle a combustibile a idrogeno per alimentare razzi e navette spaziali nello spazio.
9. Veicoli aerei senza pilota (UAV): Molte applicazioni innovative degli UAV (ovvero i droni), che vanno dalla consegna di pacchi alle missioni di ricerca e soccorso, sono fortemente limitate dalla potenza e dall'autonomia fornite dalle batterie standard. Sia il settore militare che quello privato intendono risolvere questi problemi con le celle a combustibile a idrogeno, che offrono un'autonomia fino a tre volte superiore rispetto ai dispositivi alimentati a batteria. Le celle a combustibile forniscono un rapporto energia-massa maggiore e possono essere ricaricate in pochi minuti.
10. Imbarcazioni e sottomarini: Le celle a combustibile a idrogeno vengono utilizzate in una varietà di applicazioni marine. Alcune imbarcazioni, come l'Energy Observer, producono persino il proprio idrogeno per un sistema a celle a combustibile utilizzando pannelli solari e turbine eoliche di bordo. Le celle a combustibile a idrogeno offrono un'alternativa all'energia nucleare per i sottomarini stealth militari come il tedesco Type 212, con grande autonomia, navigazione silenziosa e basse emissioni di calore.
Le celle a combustibile sono una promettente sostituzione per i carburanti per automobili di oggi. Sebbene alcune parti della tecnologia, come l'efficace stoccaggio a bordo, richiedano un ulteriore sviluppo, non c'è motivo per cui le celle a combustibile non possano diventare un carburante per i trasporti comodo e attraente come lo sono oggi il diesel o la benzina. Spero che attraverso questo articolo sia stato facile comprendere i vantaggi e gli svantaggi delle celle a combustibile. Vi prego di condividere le vostre domande nella sezione commenti.
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