Cos’è e come funziona il fuel cell?

Le auto a idrogeno rivestono un ruolo di primaria importanza nel contesto della transizione energetica. D’altra parte il Recovery Plan ha previsto delle linee guida che gli stati europei dovranno seguire per impiegare la spesa pubblica prevista in modo da non andare contro i seguenti punti fermi esplicitati dalla Commissione Europea:

• frenare il cambiamento climatico, evitando le emissioni di gas serra o migliorandone l’assorbimento;
• adattarsi all’impatto del cambiamento climatico, prevenendo gli effetti negativi attuali e futuri;
• proteggere le acque e le risorse marine;
• ridurre l’inquinamento;
• salvaguardare la natura e le biodiversità;
• promuovere l’economia circolare, riducendo i rifiuti e aumentando il riciclo

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In questo senso la differenza può arrivare anche grazie alle fuel cell. L’idrogeno è un elemento che abbonda in natura, seppur non nella sua forma primaria. Infatti al fine di ottenerlo è necessario mettere in atto processi quali per esempio l’elettrolisi, vale a dire la scissione delle molecole di acqua (H2O). Questo non è il solo metodo tramite il quale si può ottenere l’idrogeno ma è ancora oggi uno dei più impiegati. Alla luce di questa premessa, andiamo a vedere a cosa servono le fuel cell, qual è il meccanismo che ne determina il funzionamento e quali sono i limiti riscontrati nell’utilizzo dell’idrogeno come fonte energetica per i veicoli.

Fuel cell: cosa sono e come funzionano

Le fuel cell (anche dette pile a combustione) sono speciali dispositivi elettrochimici che permettono di ottenere energia elettrica partendo da determinati elementi chimici, specialmente idrogeno e ossigeno. Non si tratta di un’invenzione degli ultimi tempi, in quanto fu il chimico britannico William R. Grove (1811-1896) a creare la prima pila a combustione nel 1839.

A differenza delle normali pile, le fuel cell necessitano di alimentazione continua. Infatti queste pile non immagazzinano energia, bensì la convertono finché ci sono sufficienti reagenti. A tal proposito le auto a idrogeno possiedono un serbatoio in cui l’idrogeno è stoccato a una pressione tale da mantenerlo in forma liquida a una temperatura di -253 C°. L’ossigeno viene invece preso semplicemente dall’aria. Al pari delle comuni pile, le fuel cell possiedono due elettrodi:

• anodo (elettrodo positivo);
• catodo (elettrodo negativo);

Sull’elettrodo caricato positivamente si verifica la riduzione dell’ossigeno, di contro sull’elettrodo caricato negativamente avviene l’ossidazione dell’idrogeno. Il risultato di questa reazione chimica è la produzione di calore ed energia, oltreché di acqua in funzione di scarto. Ne segue che a differenza delle autovetture tradizionali, non si producono emissioni di CO2.

Quanti tipi di fuel cell esistono?

Le fuel cell non sono tutte uguali. Se ne distinguono infatti diverse tipologie sull base dell’elettrolita, ovvero la sostanza che compone le celle:

• Celle alcaline: l’elettrolita è costituito da idrossido di potassio (KOH) e opera a temperatura tra 60-120 C°. Hanno bisogno di gas di alimentazione molto puri;
• Celle ad acido fosforico: l’elettrolita è costituito dall’acido fosforico (H3PO4) e operano a temperatura attorno ai 200 C°;
• Celle a carbonati fusi: in questo caso l’elettrolita è rappresentato da una soluzione di carbonati alcalini che raggiunge temperatura di fusione attorno ai 650 C°;
• Celle a ossidi solidi: sono composte da materiale ceramico, prevalentemente ossido di zirconio (ZrO2)e ossido d’ittrio (Y2O3). Si impiegano quando si raggiungono temperature molto elevate prossime ai 1.000 C°;
• Celle a elettroliti polimerici: l’elettrolita è composto da una membrana polimerica con elevata conducibilità protonica. Si impiegano in presenza di temperature comprese tra i 70-100 C°.

Fuell cell: vantaggi e svantaggi

Dopo aver illustrato il funzionamento delle fuel cell, esaminiamo quali sono i principali punti di forza e di debolezza di questi strumenti e più in generale delle auto a idrogeno rispetto agli altri veicoli.

Vantaggi

Il primo vantaggio che viene in mente pensando alle fuel cell è rappresentato dalle emissioni di sostanze nocive. Infatti come sottolineato in precedenza è l’acqua il solo materiale di scarto prodotto dalle auto a idrogeno, di conseguenza l’utilizzo di questa tecnologia concorre a combattere l’emissione di CO2.

L’idrogeno in natura non è presente in forma liquida e occorre impiegare processi di elettrolisi per ottenerlo. Tuttavia se per l’elettrolisi sono impiegate fonti energetiche rinnovabili (solare, eolico, idroelettrico etc.), non si pone neanche qui il problema delle emissioni di sostanze inquinanti.

Il costo di ogni singola fuel cell è diminuito notevolmente negli ultimi anni. Si stima infatti che tra il 2010 e il 2020 il prezzo sia sceso del 50%, e non si esclude possa ulteriormente scendere nei prossimi anni. Anche il prezzo dell’idrogeno si è contratto col tempo, fino ad arrivare a costare meno di 10 dollari al kg.

In ultimo si presenta il tema dell’autonomia e dei tempi di ricarica delle autovetture a idrogeno. Infatti rispetto alle auto elettriche, un’auto a idrogeno necessità di tempi di ricarica più brevi (circa 5 minuti) e ha di una maggiore autonomia. Anche nei confronti delle auto a benzina quelle a idrogeno presentano maggiore autonomia, considerando che sono in grado di percorrere fino al doppio dei kilometri a parità di pieno.

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Svantaggi

Le auto a idrogeno presentano due principali svantaggi. In primo luogo, l’idrogeno deve essere mantenuto in forma liquida mediante una pressione molto alta, elemento che rende più complesso il suo stoccaggio. Occorre poi tenere a mente che se non conservato in maniera adeguata l’idrogeno può essere facilmente Infiammabile.

Tra i punti di forza si era accennato all’utilizzo di energie rinnovabili per dare luogo all’elettrolisi. Sebbene questo sia un aspetto positivo, il mancato utilizzo di elettricità proveniente da fonti rinnovabili rappresenta un limite alla riduzione delle emissioni di CO2. Quindi se si produce elettricità utilizzando combustibili fossili, come ad esempio il carbone, le emissioni di CO2 sarebbero ugualmente alte. Ne segue che produrre idrogeno avrebbe un costo alto in termini d’impatto ambientale. Più nello specifico anche le singole celle sono ancora realizzate con materiali derivanti da fonti energetiche fossili.

Al momento le auto a idrogeno non hanno ancora una penetrazione di mercato equiparabile alle auto elettriche, di conseguenza anche per questo motivo non sono molto diffusi i luoghi in cui è possibile ricaricare i motori a idrogeno. Ovviamente questo è uno svantaggio che potrebbe essere risolto qualora si diffondesse maggiormente questa tipologia di veicoli.