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Tecnologie per
l'idrogeno

CELLE A COMBUSTIBILE – LA FONTE DI ENERGIA SOSTENIBILE

Una cella a combustibile è un dispositivo elettrochimico di generazione di energia che combina il l’idrogeno con l’ossigeno dell’aria per produrre elettricità, con acqua e calore come unici sottoprodotti. Sistemi di celle a combustibile che siano sicuri, funzionali ed efficienti e la relativa infrastruttura di supporto –elettrolizzatori e stazioni di rifornimento di idrogeno (HRS) – svolgeranno un ruolo fondamentale nella transizione all’energia sostenibile. L’ambito di applicazione dei sistemi di celle a combustibile odierni si estende dalle applicazioni portatili su piccola scala nella gamma dei Watt alle installazioni sul campo di grandi dimensioni con la fornitura di energia nella scala dei Megawatt.

I QUATTRO ELEMENTI BASE DI UNA PILA A COMBUSTIBILE PEM
(Proton Exchange Membrane)

Quando entra in contatto con il catalizzatore, l’idrogeno si divide in protoni ed elettroni. I protoni attraversano una apposita membrana senza incontrare ostacoli e procedono verso il catodo, mentre gli elettroni vengono costretti attraverso un circuito esterno.
Mentre gli elettroni percorrono il circuito esterno forniscono l’elettricità, che può essere utilizzata per illuminare una lampadina o azionare un motore. Alla fine, i protoni e gli elettroni dell’idrogeno si riuniscono e si combinano con l’ossigeno producendo acqua.

Modulo con pila a combustibile

Tutte queste reazioni si verificano in una pila. Le pile sono contenute all’interno di un sistema più grande che contiene il combustibile, l’acqua, il sistema di gestione dell’aria, il controllo del raffreddamento, la meccanica e il software.

I sistemi variano nelle dimensioni e nell’utilizzo a seconda delle diverse applicazioni: trasporti, macchinari industriali, alimentazione delle reti elettriche.

La produzione di idrogeno usando l’energia rinnovabile è la migliore soluzione che si prospetta per produrre combustibile per i trasporti.

VANTAGGI DELLA TECNOLOGIA CON PILE A COMBUSTIBILE

Convertendo l’energia chimica potenziale direttamente in energia elettrica, le pile a combustibile consentono di evitare un collo di bottiglia termico (una conseguenza della seconda legge della termodinamica) e sono pertanto intrinsecamente più efficienti rispetto ai motori a combustione, i quali devono prima convertire l’energia chimica potenziale in calore, quindi in lavoro meccanico.

Dal condotto di scarico del sistema esce acqua pura, senza emissioni di particolato o altri gas, con un vantaggio ambientale notevole rispetto a un motore a combustione interna.

Le pile a combustibile hanno poche parti mobili, il che ne incrementa l’affidabilità e riduce la manutenzione, rispetto a un motore a combustione interna.

Quando viene generato idrogeno da fonti di energia elettrica rinnovabili, quali energia eolica, solare o idroelettrica, le relative emissioni di CO2 sono estremamente basse.

ELETTROLISI

La capacità dell’idrogeno di combinarsi con l’ossigeno fu notata per la prima volta da Henry Cavendish nel 1766. Il primo elettrolizzatore comparve successivamente nel 1800, quando Nicholson e Carlisle indussero una carica statica nell’acqua.

Tipo elettrolitico

Le celle di elettrolisi sono caratterizzate dal relativo tipo elettrolitico. Di seguito analizziamo due tipi di elettrolisi a bassa temperatura: alcalina e la membrana a scambio protonico (PEM).

Nell’elettrolisi alcalina, avviene una reazione tra due elettrodi in una soluzione composta da acqua e un elettrolita liquido. Quando viene applicata una tensione sufficiente, le molecole d’acqua prendono gli elettroni per produrre ioni OH- e una molecola di H2. Gli ioni OH- viaggiano attraverso la soluzione verso un anodo, dove si combinano e perdono i loro elettroni aggiuntivi per produrre acqua, elettroni e O2.

La ricombinazione dell’idrogeno e dell’ossigeno, in questa fase, viene evitata per mezzo di speciali membrane di scambio ionico. L’elettrolita rimane nel sistema per via di un processo di ricircolo a ciclo chiuso e senza pompa.

L’elettrolisi PEM crea una reazione utilizzando un polimero solido conduttivo ionicamente, invece di un liquido. Quando viene applicata tensione tra i due elettrodi, l’ossigeno con carica negativa, nelle molecole d’acqua, rilascia il suo elettrone, il che si traduce in protoni, elettroni e O2 all’anodo. Gli ioni H+ viaggiano attraverso il polimero a conduzione protonica verso il catodo, dove prendono un elettrone e diventano atomi H neutri. Questi ultimi si combinano per produrre H2 al catodo. L’elettrolita e i due elettrodi vengono racchiusi tra due piastre bipolari, che trasportano acqua verso di essi, trasportano prodotti gassosi lontano dalla cella, conducono elettricità e fanno circolare un fluido refrigerante per raffreddare il processo.

Le tecnologie alcaline e PEM hanno la capacità di fornire:

Idrogeno on-site e
on-demand

Idrogeno pressurizzato
senza un compressore

Idrogeno puro al 99,999%,
asciutto e privo di carbonio

Proprio come per le pile a combustibile, gli elettrolizzatori a singola cella possono essere collegati in serie, creando una pila, il componente principale del sistema dell’elettrolizzatore, dove vengono prodotti idrogeno e ossigeno.