La produzione di energia per il domani è stata individuata nell’idrogeno, o meglio, nelle celle a combustibile alimentate ad idrogeno. Precisiamo subito che l'idrogeno non è una fonte di energia, bensì un vettore energetico (come, del resto, l'elettricità). Ma facciamo un passo per volta e cerchiamo di capire un poco il loro principio di funzionamento e la loro storia:

Il PRINCIPIO di FUNZIONAMENTO di una cella a combustibile è simile a quello di una normale batteria che non si esaurisce fin tanto che viene alimentata. La cella a combustibile è un generatore elettrochimico dove entrano un combustibile in genere idrogeno (simbolo chimico H) ma anche metanolo ed altri idrocarburi da cui è possibile ricavare l’idrogeno (elemento base per il loro funzionamento) e un ossidante cioè l’ossigeno (simbolo chimico O) presente nell’aria. Come prodotti della reazione si ottengono acqua, calore e corrente elettrica continua. Non si ottengono prodotti inquinanti!

Ma come! Direte voi... storia? Sono ancora una tecnologia emergente e gia hanno una storia?
Ebbene si, le fuel cell non sono proprio nuove nuove, i primi prototipi risalgono al 1839! Solo che tale tecnologia, rapportando efficienza e costi, si è resa disponibile solo in questo ultimo decennio...

Il primo a realizzare una struttura primordiale di cella (funzionante) é stato William Robert Grove (1811-1896). Nato in Swansea, Wales e professore di fisica nella London Institution dal 1841 al 1846, occupò anche la carica di avvocato e di giudice. Grove inventò due celle di particolare significato: la sua prima cella consisteva di zinco diluito con acido solforico e platino in un concentrato di acido nitrico, separati da uno strato poroso (Grove cell). La sua seconda cella una “batteria a gas voltaico” era proprio il prototipo della moderna cella combustibile. Grove mostrò anche che l’elettrolisi con un’alta corrente può essere prodotta attraverso un sottile vetro. Il primo esperimento di dissociazione é stato dato dallo stesso Grove, il quale ha mostrato che il vapore in contatto con una parte di platino fortemente riscaldata riesce a decomporsi in idrogeno e ossigeno.

1839 William Robert Grove unisce idrogeno e ossigeno in presenza di una elettrolita, producendo elettricità ed acqua. L’invenzione viene poi conosciuta come “cella combustibile” ma non produce ancora elettricità sufficiente per essere utilizzata.

1889 Il termine “fuel cell” viene per la prima volta coniato da Ludwig Mond and Charles Langer che cercano di costruire una cella usando aria e gas prodotto da carbone industriale.

1920 La ricerca, in Germania, apre la strada allo sviluppo del ciclo di carbonato e delle celle “solid oxidefuel cells” di oggi. Intanto viene scoperto e capito il processo della camera di combustione e il petrolio inizia a dilagare.

1932 L’ingegnere Francis T.Bacon inizia la sua ricerca sulle celle. Le più semplici usavano degli elettrodi di platino porosi e acido solforico per l’elettrolita.

1959 Bacon dimostra che 5kW potevano essere prodotti da una cella (chiamata “Bacon cell”) per dare potenza ad una saldatrice. La “Allis-Chaimers Manufactoring Company” dimostra che una cella poteva produrre una potenza di 20CV e la applicò ad un trattore che fu il primo veicolo a muoversi grazie alle celle.

1960 La “General Electric” produsse celle per i primi usi in campo militare spaziale (Gemini e Apollo della NASA); la compagnia usò i principi della “Bacon cell” come base dei suoi progetti. Tuttora la NASA produce elettricità nello Shuttle tramite fuel cell oltre all’acqua necessaria per l’equipaggio. Sostituendoli all'uso del nucleare (troppo rischioso) e alle batterie o energia solare (troppo ingombranti per i veicoli spaziali). Le celle a combustibile si sono rivelate la soluzione ideale. Questa soluzione fu sviluppata in maniera pesante fino ad arrivare a portarla, oggi, anche nel settore privato. Più di 200 ricerche e progetti sono state effettuati in questo campo, infatti le celle possono risolvere la maggior parte dei problemi energetici odierni: piccole dimensioni, alta efficienza, emissioni nulle, minima acqua prodotta... ma ancora trovano un ostacolo a presentarsi sul mercato.

1993 Prima cella usata per gli autobus; primi prototipi in questo campo.

1997 Daimler Benz e Toyota hanno lanciato un prototipo di auto a fuel cell.

1998 L’Islanda annuncia il piano di voler creare una economia dell’idrogeno. Il piano di 10 anni prevede di coprire tutti i veicoli a trasporto inclusa la flotta navale islandese.

1999 In Europa (ad Amburgo, Germania) viene aperto il primo commercio pubblico di idrogeno gassoso per autoveicoli. La Daimler-Chrysler mostra il suo prototipo e pianifica di inserire fuel cell nella produzione di auto dall’anno 2004. I fisici a Singapore annunciano un nuovo metodo per immagazzinare idrogeno: "Alkcali doped carbon nanotubes" che incrementerebbe la quantità e la sicurezza.

Ma vediamo ora con un maggiore dettaglio come sono composte ed il loro funzionamento: come prima accennato, essendo simili alle batterie sono composti essenzialmente da due elettrodi e dall’elettrolita.

L’anodo (+) è l’elettrodo dove avviene l’ossidazione del gas combustibile (idrogeno) con la liberazione degli elettroni. L’atomo di idrogeno viene così diviso: ione H⁺ e l’elettrone e^-.
L’elettrolita separa i due elettrodi e premette il passaggio del flusso di ioni dall'anodo al catodo. In base alla composizione dell’elettrolita si determina il tipo di fuel cell ed il principio di funzionamento (vedi sotto).
Il catodo (-) è l’elettrodo dove avviene la riduzione del gas comburente (ossigeno) con l’utilizzo degli elettroni provenienti dall’anodo.

Va precisato che:

• fino a quando viene rinnovata la materia attiva (idrogeno ed ossigeno) la reazione avviene e quindi il funzionamento resta continuo.

• Come combustibile possono essere usati oltre all’idrogeno anche il metano e il metanolo, da questi ultimi l’idrogeno deve essere estratto con un particolare procedimento. Il tipo di combustibile dipende, a priori, dal tipo di cella utilizzata.

• La cella ha struttura piatta a tre strati (anodo, elettrolita e catodo). Alcune tipologie di celle funzionano orizzontalmente altre verticalmente. Le singole celle (caratterizzate da tensioni comprese da 0.5 a 1 Volt) vengono sovrapposte le une alle altre e collegate in serie per raggiungere la tensione desiderata e in parallelo per la corrente. L’impilamento di celle che così si ottiene forma il cosiddetto stack (o “pila”).

Se alimentate ad idrogeno puro non producono emissioni inquinanti. Nel caso di alimentazione a gas naturale le uniche emissioni sono dovute all’estrazione dell’idrogeno dal combustibile (vedi sotto).

Gli impianti con fuel cell sono molto flessibili e si adeguano velocemente alle variazioni di carico. La modularità permette di variare la potenza dell’impianto alla domanda.

Il rendimento elettrico è medio/alto, infatti, la conversione dell’energia avviene direttamente senza passaggi intermedi (combustione, azione meccanica). Tale efficienza è elevata anche negli impianti di piccola potenza, solitamente penalizzati da bassi rendimenti. L’assenza di parti in movimento (soggette ad usura) permette di ridurre la necessità di manutenzione.

Il calore prodotto dall’impianto (soprattutto quello delle celle ad alta temperatura) può essere utilizzato per il teleriscaldamento degli edifici o per uso industriale.

Fino ad adesso ho parlato bene di questa tecnologia (e non potevo fare altrimenti), ma essa presenta alcuni problemi di non poco conto, primo tra tutti i costi ancora troppo elevati, poi fare un pieno di idrogeno è un problema perché occorrono sistemi di stoccaggio speciali e manca una rete di distribuzione simile ai distributori di benzina (ma per questo ci si sta attrezzando...).

Già... immaginate fare il pieno di idrogeno... idrogeno?? Si, facile dire “idrogeno”; ma in pratica dove lo troviamo questo gas?

L’idrogeno allo stato molecolare (H₂) è la componente fondamentale delle stelle, del nostro Sole, delle nebulose... insomma lo spazio ne è ricco, ma non è per niente diffuso sul nostro pianeta e quindi allo stato attuale delle cose non è pensabile di poterlo utilizzare su vasta scala per l’alimentazione delle fuel cell:

Occorre quindi recuperarlo in qualche modo: ecco i due principali. L’acqua è composta da due atomi di idrogeno e da uno di ossigeno (H₂O) e mediante il processo dell’elettrolisi è possibile separarli. Il metano (ed in generale tutti gli idrocarburi) sono composti da atomi di carbonio e da idrogeno. Ecco allora che l’idrogeno è utilizzabile solo dopo essere stato opportunamente trattato.

Ma il problema è proprio questo!!!

Infatti: il processo dell’elettrolisi richiede un grande quantitativo di energia elettrica necessaria per separare l’H dall’O. E dove prendo l'energia se lo scopo delle fuel cell è quello di produrre energia pulita (abbattendo le emissioni di gas nocivi per l’ambiente e l’uomo), non di certo dalle centrali termoelettriche, bensì da quelle che utilizzano fonti rinnovabili (solare, eolico, nucleare?). Poi l’acqua deve essere demineralizzata e priva di impurità (con ulteriore dispendio energetico per trattarla) e l’acqua è anche un bene prezioso...

Passiamo al secondo caso ricavare idrogeno dagli idrocarburi (forma base CH): come?? cerco una nuova fonte di energia in sostituzione dei combustibili fossili e questa nuova tecnologia si alimenta di metano, butano, metanolo... quindi ancora di combustibili fossili!
Le celle a combustibile funzionano (si, ma solo con l’idrogeno), quindi il carbonio (C) scartato da tale processo dove lo metto??? Non di certo nell’atmosfera a contribuire all’aumento dell’effetto serra... e qui sorgono le idee più originali ma anche le più disperate (ne cito solo alcune): con il C in avanzo riempio antichi giacimenti petroliferi o di gas naturale ormai esauriti (quindi sotto terra), il C in avanzo (se portato in condizioni adatte di pressione e temperatura) lo pompo nelle profondità marine dove li dovrebbe restare (menomale che i pesci non parlano!), con il C in avanzo faccio le bibite gasate (no comment!)...

 meglio che mi fermo qui!

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