Come Funzionano le Celle a Combustibile: Conversione Elettrochimica e Funzionamento a Emissioni Zero

Processo elettrochimico fondamentale: ossidazione dell'idrogeno e riduzione dell'ossigeno

Le celle a combustibile generano elettricità attraverso una reazione chimica tra idrogeno e ossigeno, e soprattutto, lo fanno senza bruciare alcunché. Quando l'idrogeno raggiunge il lato dell'anodo, viene scomposto in protoni ed elettroni grazie a un catalizzatore composto principalmente da platino. Gli elettroni si muovono attraverso fili esterni alla cella, creando la corrente elettrica che possiamo effettivamente utilizzare come fonte di energia. Nel frattempo, i protoni attraversano una membrana a scambio protonico (nota come PEM, acronimo di Proton Exchange Membrane) per raggiungere l'altro lato della cella. Giunti al catodo, questi protoni si combinano con molecole di ossigeno e con gli elettroni che sono tornati attraverso il circuito. Insieme formano esclusivamente acqua pura come sottoprodotto. L'intero processo è estremamente efficiente perché non si basa sul trasferimento di calore, come invece avviene nei motori tradizionali. Di conseguenza, le celle a combustibile PEM convertono tipicamente da metà fino a due terzi dell'energia in ingresso direttamente in elettricità. Ciò equivale a circa il doppio rispetto alla maggior parte dei veicoli a benzina, il cui rendimento è limitato dai principi termodinamici fondamentali noti come ciclo di Carnot.

I principali vantaggi sono:

• Funzionamento quasi silenzioso senza parti in movimento, a parte i sistemi ausiliari
• Erogazione di potenza continua finché viene fornito combustibile e ossidante
• Scalabilità modulare—da unità portatili di kilowatt a impianti stazionari di diversi megawatt

A differenza delle batterie, le celle a combustibile sono convertitori di energia, non dispositivi di accumulo—consentendo un funzionamento sostenuto senza tempi di ricarica

Perché le celle a combustibile emettono solo acqua — nessuna CO₂, NO₂ o particolato

Le celle a combustibile non emettono sostanze soggette a normative, poiché funzionano attraverso reazioni elettrochimiche anziché bruciare materiali. L'idrogeno semplicemente non contiene carbonio, il che significa che non vi è alcun modo per formare CO2 durante il funzionamento. Inoltre, le reazioni avvengono a un massimo di circa 100 gradi Celsius, lontanissimo dai 1.300 gradi a cui iniziano a formarsi gli ossidi di azoto. Non sono coinvolse fiamme, quindi addio fuliggine, cenere e agli ostinati idrocarburi non bruciati che inquinano l'aria. Cosa esce invece? Fondamentalmente solo vapore acqueo puro, a volte raccolto e riutilizzato nei processi industriali. È per questo motivo che questi sistemi funzionano così bene all'interno di edifici, in aree urbane affollate o in qualunque luogo sensibile agli standard sulla qualità dell'aria. Si integrano perfettamente con le raccomandazioni dell'EPA, rispettano le normative europee sull'aria pulita e soddisfano anche le linee guida dell'Organizzazione Mondiale della Sanità.

Applicazioni delle celle a combustibile in settori difficili da decarbonizzare

Trasporto pesante: Camion, autobus, treni e imbarcazioni marittime

Per quanto riguarda il trasporto pesante, le celle a combustibile risolvono alcuni problemi significativi che le batterie semplicemente non riescono a gestire in modo sufficiente. Pensate alla capacità di accumulo di energia, al tempo necessario per ricaricarle e all'impatto sul peso del veicolo. I camion a idrogeno stanno attirando molta attenzione in questo momento. Questi mezzi pesanti possono percorrere da 500 a 800 chilometri con un singolo serbatoio, e il rifornimento richiede meno di venti minuti, il che è simile a quanto avviene con i tradizionali motori diesel. Questo rappresenta un netto vantaggio rispetto al trasporto di enormi batterie, che aggiungerebbero un peso extra di circa tre o quattro tonnellate. Già in tutto il mondo questa tecnologia si sta diffondendo, con oltre cinquemila autobus a idrogeno in circolazione in zone come la Cina, alcune parti dell'Europa e persino in California. Le applicazioni si stanno espandendo oltre gli autobus. Si pensi ad esempio al treno Coradia iLint in Germania, oppure al progetto del traghetto HYDROGEN in Norvegia. I porti in particolare trarrebbero grandi benefici, poiché la maggior parte delle operazioni container dipende fortemente da attrezzature diesel che emettono elevate quantità di ossidi di azoto e particolato nell'aria. Passare alle celle a combustibile significa zero emissioni esattamente dove si verificano, aiutando le autorità portuali a raggiungere gli ambiziosi obiettivi dell'Organizzazione Marittima Internazionale per la riduzione delle emissioni di carbonio entro il 2030 e il 2050.

Sistemi Industriali di Alimentazione e di Backup: Sostituzione dei Generatori a Diesel

Le celle a combustibile forniscono energia pulita e affidabile per infrastrutture critiche come data center, ospedali e fabbriche, dove tradizionalmente i generatori diesel sono stati utilizzati come fonte di alimentazione di riserva. Rispetto alle opzioni diesel, questi sistemi non rilasciano ossidi di azoto nocivi, biossido di zolfo o particelle microscopiche all'interno degli edifici o nelle aree circostanti operazioni sensibili. La loro struttura consente una facile scalabilità, passando da piccole installazioni da 50 chilowatt fino a grandi impianti che raggiungono i 3 megawatt. La durata del funzionamento dipende principalmente dalla disponibilità di idrogeno, piuttosto che dal deterioramento delle batterie nel tempo. Quando alimentati da serbatoi di idrogeno compresso, la maggior parte di questi dispositivi può gestire carichi operativi completi per oltre tre giorni consecutivi, riducendo così i rischi di incendio rispetto allo stoccaggio in loco di grandi quantità di gasolio. Il Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti ha riferito che lo scorso anno le aziende che hanno adottato sistemi di backup a celle a combustibile sono aumentate di circa il 40 percento. Questa crescita è comprensibile considerando i loro tassi di affidabilità eccezionali, superiori al 99,999 percento di attività continua, uniti al fatto che oggi molte aziende danno priorità agli obiettivi ambientali, sociali e di governance nelle loro decisioni aziendali.

Abilitare l'ecosistema a celle a combustibile: infrastrutture, sicurezza e politiche

Stoccaggio dell'idrogeno, infrastrutture di rifornimento e protocolli operativi di sicurezza

L'adozione su larga scala delle celle a combustibile dipende davvero da metodi sicuri per consegnare idrogeno senza gravare troppo sui costi. Fondamentalmente esistono tre approcci principali per immagazzinare l'idrogeno: serbatoi di gas sotto pressione a circa 350-700 bar, liquido criogenico conservato a meno 253 gradi Celsius e soluzioni più recenti che coinvolgono idruri metallici o materiali adsorbenti speciali. Ogni metodo risulta più efficace in diverse situazioni, a seconda delle esigenze operative. Analizzando i dati all'inizio del 2023, ci sono oltre 160 stazioni di rifornimento pubbliche di idrogeno in tutto il mondo, concentrate principalmente in zone come California, Giappone, Corea del Sud e alcune regioni della Germania. Tuttavia, quando si tratta di espandere questa infrastruttura per veicoli più grandi come camion e autobus, le difficoltà aumentano rapidamente. Costruire una stazione di dimensioni adeguate costa tipicamente tra due e tre milioni di dollari, esclusi tutti i documenti necessari per le autorizzazioni e il collegamento alle reti elettriche esistenti, il che aggiunge un ulteriore livello di complessità che nessuno desidera affrontare.

La sicurezza è garantita attraverso standard ingegneristici armonizzati a livello internazionale, in particolare ISO/TS 15916, SAE J2601 e il Manuale Europeo sulla Sicurezza dell’Idrogeno. Tali standard prescrivono:

• Serbatoi di idrogeno in materiale composito certificati per resistere a oltre 10.000 cicli di pressurizzazione e a impatti balistici
• Bocchette di rifornimento con rilevamento automatico delle perdite, arresto termico e dispositivi di sfiato della pressione
• Ventilazione nei locali chiusi progettata per mantenere le concentrazioni di idrogeno al di sotto del limite di infiammabilità inferiore dell'1%

La validazione nella realtà operativa proviene da iniziative come il programma europeo H2 Mobility, che ha standardizzato protocolli attraverso 29 stazioni, dimostrando interoperabilità, sicurezza e fiducia dell'utente, elementi essenziali per un'adozione su larga scala.

Celle a Combustibile nel Percorso verso la Neutralità Carbonica

Le celle a combustibile si distinguono come protagonisti nella ricerca di economie a impatto neutro in termini di anidride carbonica, specialmente in quei settori in cui l'elettrificazione tradizionale non è sufficiente. Questi sistemi utilizzano idrogeno verde prodotto da fonti rinnovabili tramite elettrolisi, trasformandolo in elettricità e generando esclusivamente vapore acqueo. Ciò significa zero emissioni di CO₂, zero ossidi di azoto e certamente nessuna emissione di particelle nocive nell'atmosfera. Quello che le rende particolarmente interessanti è il modo in cui operano in sinergia con le fonti di energia rinnovabile. Quando viene prodotta troppa energia solare o eolica, invece di sprecarla, possiamo accumulare quell'energia in eccesso sotto forma di idrogeno. Successivamente, quando la domanda aumenta, convertiamo semplicemente l'idrogeno accumulato nuovamente in elettricità. Questo approccio contribuisce a rendere le nostre reti elettriche più resilienti, senza dover ricorrere a quelle tradizionali centrali di riserva a combustibili fossili che tutti vorrebbero eliminare.

Il mondo sta investendo cifre reali sull'idrogeno come protagonista chiave: secondo l'Agenzia Internazionale per l'Energia, intorno a 100 miliardi di dollari sono stati destinati per l'infrastruttura dell'idrogeno entro il 2030. Anche i prezzi delle celle a combustibile sono calati drasticamente, di circa il 60% dal 2015, grazie a produzioni su scala più ampia e a materiali catalitici migliori. Anche le politiche governative stanno iniziando a recuperare terreno. Si pensi al recente Inflation Reduction Act negli Stati Uniti, che prevede un credito d'imposta di 3 dollari al chilogrammo per l'idrogeno pulito, oltre alla direttiva dell'Unione Europea aggiornata sulle energie rinnovabili. Questi cambiamenti significano che le celle a combustibile non sono più soltanto sperimentali, ma stanno effettivamente diventando parte dell'infrastruttura ordinaria. In futuro, si stima che questi sistemi potrebbero soddisfare circa il 15% del fabbisogno energetico in settori dove ridurre le emissioni è particolarmente difficile. Ciò li rende piuttosto importanti per raggiungere gli obiettivi di zero emissioni, anche se resta ancora del lavoro da fare prima che diventino diffusi.

Domande Frequenti

Cos'è una cella a combustibile?
Una cella a combustibile è un dispositivo che converte l'energia chimica dell'idrogeno in energia elettrica attraverso una reazione elettrochimica con l'ossigeno.

Le celle a combustibile producono emissioni?
Le celle a combustibile producono principalmente vapore acqueo come sottoprodotto e non emettono inquinanti regolamentati come CO2, NOx o particolati.

Le celle a combustibile possono essere utilizzate nei trasporti?
Sì, le celle a combustibile sono sempre più utilizzate nei settori dei trasporti pesanti, inclusi camion, autobus, treni e imbarcazioni marittime.

Quali sono le misure di sicurezza per l'uso dell'idrogeno?
Le misure di sicurezza includono serbatoi di idrogeno certificati, sistemi di rilevamento delle perdite e un'adeguata ventilazione per mantenere le concentrazioni di idrogeno entro limiti sicuri.