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FUNZIONAMENTO DELLE CELLE A COMBUSTIBILE

La cella a combustibile è un generatore elettrochimico in cui vengono mischiati un combustibile, nel nostro caso l'idrogeno, e un ossidante, l'ossigeno in questo caso, e da cui si ricavano corrente elettrica continua, acqua e calore. Una cella a combustibile funziona in modo analogo a una batteria, in quanto produce energia elettrica attraverso un processo elettrochimico, a differenza di quest'ultima tuttavia consuma sostanze provenienti dall'esterno ed è quindi in grado di funzionare senza interruzioni, finché al sistema viene fornito combustibile (idrogeno) e ossidante (ossigeno o aria), mentre la batteria deve essere ricaricata. Una FC non immagazzina energia al suo interno e non si scarica come succede alla batteria; converte direttamente il combustibile in energia elettrica, mentre la batteria deve rifornirsi di energia elettrica da una fonte esterna.
Più precisamente la fuel cell (in questo caso parliamo di una fuel cell cosiddetta "PEM") è costituita da due elettrodi, un anodo e un catodo, separati da un elettrolita, che invece di essere liquido, è solido e costituito da una sottile membrana polimerica, la quale consente il passaggio solo dei protoni H+ dall'anodo al catodo ("PEM" significa appunto "Proton Exchange Membrane"). L’idrogeno viene fatto scorrere verso l’anodo, dove, grazie all’azione del catalizzatore (platino), avviene la separazione tra cariche elettriche positive e negative. Queste ultime, non potendo attraversare l’elettrolita, per raggiungere il catodo passano attraverso un cavo conduttore esterno e rappresentano corrente elettrica da utilizzare immediatamente. Le cariche positive passano attraverso l’elettrolita e raggiungono il catodo, dove s’incontrano con l’ossigeno e producono acqua. Poiché una singola cella fornisce ai morsetti una tensione di circa 0,6 V, è necessario collegare più celle in serie, fino ad ottenere la tensione desiderata. Naturalmente ad ogni cella andrà fornito idrogeno all'anodo e ossigeno, o aria, al catodo. Una struttura di questo tipo viene definita "Stack". Oggi esistono stack di celle PEM costituiti anche da 200 celle collegate in serie.

PROCESSO DI PRODUZIONE DELL'IDROGENO

• TRASFORMAZIONE DEGLI IDROCARBURI
  Lo steam reforming (SMR) del metano è un processo ben sviluppato ed altamente commercializzato, attraverso il quale si produce circa il 48% dell'idrogeno mondiale. Altri processi, invece, come l'ossidazione parziale, sono più efficienti con idrocarburi più pesanti. Lo SMR implica la reazione di metano e vapore in presenza di catalizzatori. Tale processo, su scala industriale, richiede una temperatura operativa di circa 800 °C ed una pressione di 2,5 MPa. La prima fase consiste nella decomposizione del metano in idrogeno e monossido di carbonio. Nella seconda fase, chiamata "shift reaction", il monossido di carbonio e l'acqua si trasformano in biossido di carbonio ed idrogeno. Le reazioni chimiche che si svolgono nel processo sono: CH4 + H2O -> CO + 3(H2) (Reazione endotermica) All'uscita dal "reformer" il monossido di carbonio, reagendo con il vapore, si trasforma in biossido di carbonio che è allontanato purificando così l'idrogeno prodotto: CO + H2O -> CO2 + H2 (Reazione esotermica) La reazione netta è perciò: CH4 + 2(H2O) -> CO2 + 4H2
  
  VANTAGGI
  Il rendimento del processo si aggira sul 50%-70%. Nello steam reforming tradizionale, gli idrocarburi sono la fonte sia dell’energia chimica sia dell’energia termica: circa il 45% del consumo degli idrocarburi è destinato alla produzione di calore. I costi dello SMR sono notevolmente inferiori a quelli dell'elettrolisi e competitivi con quelli delle altre tecnologie. Esso comporta un ridottissimo impatto ambientale. Alcuni autori sostengono che la tecnologia SMR può essere conveniente, se combinata con l'alimentazione di veicoli, per l'applicazione su celle a combustibile prodotte su scala ridotta.
  
  SVANTAGGI
  l'idrogeno prodotto in tal modo è più costoso della sostanza di partenza, il metano, la sostituzione di questo con l'idrogeno come combustibile non è conveniente.
  
  Altre innovazioni, riguardano più in particolare lo SMR stesso. Uno degli obbiettivi della ricerca è, infatti, quello di migliorare il tradizionale processo SMR con il perfezionamento di un nuovo processo denominato Sorbtion Enhanced Reforming (SER). Rispetto al tradizionale SMR tale processo implica la produzione di idrogeno a temperatura particolarmente bassa e l'abbinamento di un processo di rimozione selettiva dell'anidride carbonica rilasciata durante la fase di reforming. Il SER ottiene direttamente dei flussi separati, estremamente puri, sia di idrogeno che di CO2 senza ricorrere a costosi sistemi di purificazione, ha ridotti costi operativi e contribuisce alla riduzione della concentrazione dei gas serra nell'atmosfera. Le attività di ricerca sono ovviamente volte all'individuazione dei materiali più idonei all'assorbimento di CO2, alla dimostrazione della validità tecnica dei sistemi sperimentali e all’analisi dei relativi vantaggi economici.
  
  
• GASSIFICAZIONE DEL CARBONE E DEI COMBUSTIBILI FOSSILI:
  in generale il processo di gassificazione consiste nella parziale ossidazione, non catalitica, di una sostanza solida, liquida o gassosa con l'obiettivo finale di produrre un combustibile gassoso, formato principalmente da idrogeno, ossido di carbonio e da idrocarburi leggeri come il metano. Tramite la gassificazione il carbone viene convertito, parzialmente o completamente, in combustibili gassosi, i quali, dopo essere stati purificati, vengono utilizzati come combustibili, materiali grezzi per processi chimici o per la produzione dei fertilizzanti. La produzione di idrogeno mediante gassificazione del carbone è una tecnologia che trova numerose applicazioni commerciali, ma è competitiva con la tecnologia SMR solo il costo del gas naturale nel caso in cui sia molto elevato (per esempio la Repubblica Popolare di Cina e il Sud Africa). Le reazioni chimiche che avvengono sono: C + H2O ->CO + H2 Con altro vapore a 500°C e un catalizzatore a base di ossidi di ferro si può ottenere idrogeno anche dall’ossido di carbonio. CO + H2O -> CO2 + H2 Complessivamente il processo di gassificazione del carbone si basa sulla reazione C + 2(H2O) -> CO2 + 2(H2)
  
  VANTAGGI
  La gassificazione di combustibili fossili si presenta economicamente interessante nelle regioni in cui il carbone abbonda ed è poco costoso.
  
  
• IDROLISI DELL'ACQUA
  Esistono vari processi per ottenere idrogeno dall’acqua: Elettrolisi: E' sicuramente il processo più maturo per la produzione industriale, infatti sono stati costruiti alcuni grandi impianti nelle vicinanze di centrali idroelettriche che producono elettricità a basso costo. E' importante però ricordare che dalla produzione di idrogeno mediante il processo elettrolitico si ottiene anche ossigeno puro, da utilizzare in diversi modi. L'elettrolisi è il metodo più comune per la produzione di idrogeno, anche se incontra notevoli ostacoli per la quantità limitata di idrogeno prodotta e per i costi, ancora troppo elevati, dovuti all'impiego di energia elettrica. Attualmente, solo il 4% della produzione mondiale di idrogeno avviene per elettrolisi dell'acqua e solo per soddisfare richieste limitate di idrogeno estremamente puro. Per risolvere questo problema si prevede l'applicazione dell'elettrolisi con vapore ad alta temperatura (900-1000 °C). L'alta temperatura del sistema accelera le reazioni, riduce le perdite d'energia dovute alla polarizzazione degli elettrodi ed accresce l'efficienza complessiva del sistema. Questa tecnologia offre l'opportunità di ridurre il consumo di elettricità al 35% di quella utilizzata dagli attuali elettrolizzatori in commercio. Questa notevole riduzione dei costi e l'elevata efficienza di conversione stimata (circa il 90%), consentirebbe all'elettrolisi di essere competitiva anche con lo steam reforming, che richiede notevoli investimenti strutturali.
  
  
• TERMOLISI
  E' la dissociazione delle molecole di acqua tramite solamente l'apporto di calore che richiede temperature molto elevate, dell’ordine dei 3000°C. Con temperature così elevate è però complicato separare l'idrogeno dall'ossigeno, dati i notevoli problemi che pone la resistenza dei materiali. Decomposizione mediante cicli termochimici: con temperature più basse, tecnologicamente compatibili con i materiali conosciuti, è possibile ottenere la dissociazione dell'acqua per mezzo di cicli chiusi di reazioni chimiche di tipo endotermico. Tali tecnologie di produzione sono motivate dalla speranza di individuare un processo che possa utilizzare direttamente una fonte di calore ad alta temperatura, solare o nucleare (in particolare nei reattori HTGR, caratterizzati da una alta temperatura di uscita dei vapori) con un rendimento globale maggiore di quello ottenibile da un impianto di elettrolisi.
  
  
• FOTOLISI
  Si propone di ottenere la dissociazione della molecola dell'acqua fornendo l'energia necessaria sotto forma di radiazioni luminose solari.
  
  
• DECOMPOSIZIONE MEDIANTE FOTOELETTROLISI
  L'ultima possibilità di produrre idrogeno impiega il biossido di titanio o rutilio (TiO2) come fotoelettrodo. Questo sistema, scoperto nel 1972, ha dato vita a numerosi ed interessanti studi e ricerche.
  
  
• ALTRI PROCESSI
  Oltre ai metodi analizzati nei precedenti paragrafi, la ricerca è attiva in diversi settori riguardanti la produzione dell'idrogeno. Si muove fondamentalmente in due direzioni: migliorare le tecnologie esistenti e sperimentare nuovi metodi. L'obiettivo principale è quello di abbattere i costi delle tecnologie ormai in uso riducendo la quantità dei materiali impiegati e aumentando quindi i rendimenti di conversione degli impianti esistenti. In secondo luogo, si cercano di perfezionare nuovi sistemi che consentano di risolvere la questione dell'impatto ambientale delle tecnologie basate sull'impiego degli idrocarburi. In particolare, si sta puntando molto su sistemi che consentano la produzione di idrogeno tramite l'impiego diretto dell'energia solare, in sostituzione dell'energia elettrica necessaria per l'elettrolisi dell'acqua. Uno di questi, la produzione dell'idrogeno per fotoconversione, associa un sistema di assorbimento della luce solare ed un catalizzatore per la scissione dell'acqua. Questo processo usa l'energia della luce senza passare attraverso la produzione separata di elettricità richiesta dall'elettrolisi. Ci sono due classificazioni principali di tali sistemi: fotobiologico e fotoelettrochimico. Si tratta, tuttavia, prevalentemente di tecnologie in fase sperimentale, le cui attività di laboratorio richiedono ancora notevoli perfezionamenti.
  Tecnologie fotobiologiche: I processi di produzione fotobiologici riguardano la generazione dell'idrogeno da sistemi biologici, che usano generalmente la luce solare. Alcune alghe e batteri sono in grado di produrre idrogeno sotto specifiche condizioni. I pigmenti delle alghe assorbono l'energia solare e gli enzimi nella cellula agiscono da catalizzatori per scindere l'acqua nei suoi componenti di idrogeno e ossigeno. La ricerca sta analizzando i meccanismi dettagliati di questi sistemi biologici. In ogni caso si è ai primi stadi ed il livello di efficienza di conversione in energia (rapporto tra l'ammontare di energia prodotta dall'idrogeno e l'entità della luce solare impiegata) è basso, circa il 5%. Per la produzione di idrogeno su larga scala questi processi richiedono efficienza più elevata e riduzione dei costi. Esistono numerose attività di ricerca che hanno lo scopo di adeguare i sistemi di produzione fotobiologica a tali difficoltà. A breve termine si prevede l'identificazione di batteri e lo sviluppo di un sistema che possa produrre idrogeno puro a temperatura e pressione ambiente nell'oscurità. Attualmente sono state isolate circa 400 specie di questo tipo di batteri, capaci di combinare, nell'oscurità, monossido di carbonio ed acqua per produrre quantità piuttosto elevate di idrogeno e biossido di carbonio.
  Tecnologie fotoelettrochimiche: I sistemi fotoelettrochimici usano degli elettrodi semiconduttori in una cella fotoelettrochimica per convertire energia ottica in energia chimica. Esistono essenzialmente due tipologie di tali sistemi: una utilizza semiconduttori, l'altra metalli complessi dissolti. Nel primo tipo un materiale semiconduttore è utilizzato sia per assorbire l'energia solare sia per agire da elettrodo per la scissione dell'acqua. Il secondo tipo di sistemi fotoelettrochimici usa materiali complessi dissolti come catalizzatori, i quali assorbono energia e creano una separazione tramite carica elettrica, che conduce alla reazione di scissione dell'acqua. La ricerca si sta occupando di individuare dei catalizzatori che possano dissociare più efficientemente l'acqua e produrre idrogeno.