Celle a combustibile per la produzione di energia elettrica


    Dipartimento di Ingegneria Industriale

    Università di degli Studi di Perugia

    Via G. Duranti 93 – 06125 Perugia, Italy

    Telefono +39 075 585 3739

    Roberto Bove

    Piero Lunghi

     

    1. INTRODUZIONE

     

    Le celle a combustibile, negli ultimi dieci anni hanno destato interesse sempre maggiore da parte della comunità scientifica e del mondo dell’industria. Questo è confermato dal numero sempre maggiore di pubblicazioni, congressi ed expo riguardanti idrogeno e celle a combustibile, nonché dal numero crescente di progetti di ricerca, condotti al livello nazionale, Europeo ed Internazionale.

    Tale interesse è legato ad una serie di vantaggi che tali tecnologie possono offrire. I più rilevanti sono vantaggi ambientali ed economici. Quest’ultimi saranno possibili non appena le celle a combustibile raggiungeranno la giusta maturità tecnologica ed un’appropriata diffusione.

    L’elevato numero di attori presenti nella scena mondiale, però è dovuto anche all’elevato numero di applicazioni in cui le FC possono essere impiegate.

    Una prima distinzione va fatta tra applicazioni “automotive”, “stationary” e “portable application”.

    La prima categoria desta molto interesse da parte dell’opinione pubblica in quanto porterebbe una sostanziale riduzione dell’emissioni di inquinanti in zone urbane, dovuti al traffico veicolare.

    La produzione di energia elettrica, e più in generale il settore dell’industria energetica, tuttavia rappresenta una grossa fonte di emissione di gas serra, come visibile dalla seguente figura 1.

    Emissioni di CO2 espresse in milioni di tonnellate equivalenti in relazione ai diversi settori (in alto) ed la ripartizione nel settore energetico (in basso)Figura 1 Emissioni di CO2 espresse in milioni di tonnellate equivalenti in relazione ai diversi settori (in alto) ed la ripartizione nel settore energetico (in basso) [1]

     

    Le applicazioni di tipo “portable” riguardano il mondo dell’elettronica, come ad esempio cellulari, PC portatili etc, tuttavia i vantaggi ambientali ed energetici che possono portare possono ritenersi irrilevanti se paragonati alle altre due applicazioni, tuttavia i risultati ottenuti per tali applicazioni possono costituire un sostanziale contributo allo sviluppo delle FC.

    In tal caso, i vantaggi sono direttamente visibili dall’utilizzatore nell’immediato (maggiore autonomia di computer portatili, cellulari, etc.), mentre nel caso delle stationary e automotive, i benefici, pur essendo di maggiore entità, sono meno visibili e quantificabili dall’utilizzatore nel breve termine (riduzione dei gas serra, riduzione del consumo energetico, minore consumo di fonti energetiche di tipo fossile).

     

    Applicazioni delle celle a combustibile nel campo delle "Stationary Applications"

    Nel presente articolo si intende analizzare le possibili applicazioni nel campo delle “stationary applications”, i relativi benefici, e le future prospettive.

     

    2. PRINCIPIO DI FUNZIONAMENTO DI UNA CELLA A COMBUSTIBILE

     

    Le celle a combustibile sono convertitori energetici di tipo elettrochimico, in grado di convertire l’energia chimica di un combustibile, tipicamente idrogeno, direttamente in energia elettrica, senza che avvenga combustione.

    Il principio di funzionamento ricorda molto le comuni batterie, assai più note in quanto utilizzate da anni per diverse applicazioni. La differenza sostanziale risiede nel fatto che le normali batterie convertono l’energia chimica dei materiali costituenti gli elettrodi stessi, mentre le celle a combustibile vengono continuamente alimentate da gas, per cui la vita di una cella a combustibile è teoricamente infinita, cioè questa continua a funzionare fintantoché vengano forniti gas agli elettrodi. In realtà il life time è limitato da diverse problematiche legate all’usura dei materiali e differenti a seconda della tecnologia considerata.

    Nella seguente figura 2 si riporta lo schema di funzionamento di una cella a combustibile.

    Schema di funzionamento di una cella a combustibile

     

    Figura 2 Schema di funzionamento di una cella a combustibile

     

    Come verrà chiarito in seguito, esistono diverse tipologie di celle, classificabili secondo diversi criteri, tuttavia lo schema di figura 2 sintetizza in modo generico il principio di funzionamento di tutte le varie tipologie.

    Ogni monocella costituente lo stack risulta formato da un elettrolita, un anodo ed un catodo. L’anodo viene alimentato con un combustibile, mentre il catodo con un ossidante (ossigeno). L’elettrolita, infine, ha il compito di far avvenire il trasferimento degli ioni da un elettrodo all’altro e di impedire contemporaneamente il mescolamento tra gas anodici e catodici.

    Il combustibile, generalmente, è costituto da una miscela di gas ricca di idrogeno. Esistono anche tipologie di celle che vengono alimentate con idrocarburi (metano, metanolo, etanolo etc), ma in tal caso all’interno della cella avviene una reazione, detta di reforming, che ha il compito di convertire il combustibile in esame in idrogeno.

    La reazione finale risulta essere:

    Reazione finale H2 + 1/2O2 = H2O  (1)

    Tale reazione è esoergonica, cioè avviene rilasciando energia. Questa si manifesta sotto forma di calore e di energia elettrica.

    Il calore, in alcuni casi, può essere parzialmente recuperato in applicazioni cogenerative o tramite impianti combinati aumentando ulteriormente l’efficienza del sistema.

    Il voltaggio ottenuto ai capi degli elettrodi di ogni singola cella risulta essere piuttosto basso, presentando un range che varia, a seconda della tecnologia considerata, da 50 mV a poco più di 1 Volt. Per ottenere un voltaggio significativo (in grado perlomeno di sopperire alle perdite di voltaggio dovute alla connessione del carico elettrico) le celle vengono collegate in serie per formare il così detto stack. Il voltaggio di stack cosi ottenuto dipende dal numero di monocelle che costituisce lo stack e dalle relative condizioni operative.

     

    3. CLASSIFICAZIONE DELLE CELLE A COMBUSTIBILE

     

    La classificazione delle diverse tecnologie di celle a combustibile può essere fatta seguendo diversi criteri, quali, ad esempio, la temperatura di funzionamento, il tipo di combustibile utilizzato, se a reforming interno od esterno, o a seconda del tipo di elettrolita utilizzato.

    Quest’ultima classificazione è sicuramente quella più comunemente utilizzata dalla comunità internazionale.

    Seguendo tale classificazione, si hanno pertanto celle:

     

    - alcaline (AFC);

    - ad acido fosforico (PAFC);

    - elettrolita polimerico (PEMFC);

    - a ossidi solidi (SOFC);

    - a carbonati fusi (MFCF).

     

    - Le celle alcaline sono state le prime ad essere sviluppate con finalità pratiche. Un primo prototipo da 5 kW è stato sviluppato nel 1955 sulla base degli studi di Bacon del 1932. Questa cella, con prestazioni che, ancor oggi, sono considerate eccezionali, è stata adottata dalla Nasa per le navicelle spaziali del programma Apollo negli anni '60 e '70.
    Lavorano a bassa temperatura (70 °C) e richiedono gas di alimentazione estremamente puri. Hanno, rispetto ad altre, una vita più lunga, dovuta alla minore aggressività chimica dell'elettrolita nei confronti dei materiali costituenti. La principale finalità delle celle alcaline sono la realizzazione di celle di piccola taglia, di tipo speciale, per usi militari o comunque per usi speciali, visto l’alto costo e l’assoluta non tolleranza a gas diversi dall’idrogeno puro.

     

    - Le celle ad acido fosforico lavorano a temperature dell'ordine dei 200°C, con rendimenti elettrici di 40-45%. Esistono già impianti con potenze dell’ordine del megawatt, che hanno mostrato alta efficienza ed affidabilità. Tali impianti sono installati direttamente nel sito dell’utilizzatore, e non in laboratori o centri di ricerca. Per questo motivo, i rendimenti elettrici del 40-45%, a differenza di molti sistemi che sono ancora in fase di sperimentazione di laboratorio, si riferiscono all'energia elettrica, in corrente alternata, in uscita dall'impianto, quindi al netto di tutti i consumi interni, quali l'energia assorbita nella conversione del metano dal reformer, le perdite di energia nel passaggio da corrente continua ad alternata attraverso l'inverter e le altre perdite nell'impianto.

    Da un punto di vista tecnologico, le superfici delle celle sono attivate con platino in forma molto dispersa, con funzione di catalizzatore. L'uso di tale catalizzatore incide notevolmente sui costi, ma è indispensabile per mantenere l'attività catalitica stabile nel tempo. Le PAFC sono le uniche tecnologie ad essere attualmente commercializzate. Il modello disponibile sul mercato è il PureCell della United Technology Corporation (UTC). Tale modello di impianto è l’evoluzione tecnologica della più nota UTC PC 25, prodotta in centinaia di esemplari ed installata in diverse decine di località negli Stati Uniti, Europa e Giappone. In figura 3 si riporta una foto della ONSI PC 25 installata in Central Park, new York. (fonte www.fuelcells.org)

    Figura 2 Impianto con cella a combustibile PAFC installa presso Central Park, NY, USA.Figura 2 - Impianto con cella a combustibile PAFC installa presso Central Park, NY, USA. 

     

    - Le celle a elettrolita polimerico (PEMFC) sono anche chiamate PEM (Polymer Electrolyte Membrane oppure Proton Exchange Membrane), o anche SPFC (Solid Polymer FC), e funzionano a media temperatura (60-120 °C). In ogni cella PEM i due elettrodi (anodo e catodo) sono separati da una membrana polimerica che permette la migrazione degli ioni idrogeno (protoni). 

    Le PEM, data la loro temperatura di funzionamento relativamente bassa e l'elevata potenza specifica, sono particolarmente adatte per applicazioni nella autotrazione, per cellulari, PC portatili ed impianti per la produzione di energia elettrica, tuttavia il basso rendimento rispetto alle celle ad alta temperatura (MCFC e SOFC) limitano significativamente quest’ultime applicazioni ad applicazioni di tipo residenziale.

    Le taglie attualmente disponibili coprono un range molto ampio, dall’ordine del W fino a diversi kW. Le aziende che attualmente producono PEM sono numerose. L’Italia conta due aziende produttrici di celle PEM, leader a livello mondiale: Nuvera Fuel Cells e Arcotronics Fuel Cells.

    - La tecnologia ad ossidi solidi (SOFC) prevede temperature di funzionamento di circa 1000°C. Tali temperature, se da un lato permettono di mettere a disposizione calore ad alta temperatura (e quindi con alto valore exergetico) per eventuali cicli sottoposti o per applicazioni cogenerative, dall’altro creano grossi problemi legati ai materiali utilizzati. I maggiori problemi sono dovuti, non tanto alla resistenza termica dei materiali, quanto piuttosto alle tensioni meccaniche che si generano nei materiali a seguito delle dilatazioni termiche.
    Per ovviare a tale inconveniente la Siemens-Westinghouse ha sviluppato celle di tipo tubolare e tubolare piatto, cioè a geometria cilindrica ed ovale-cilindrica, rispettivamente. Tuttavia tale soluzione presenta due fondamentali svantaggi: economico, infatti la fabbricazione di celle tubolari presenta costi maggiori rispetto a quelle planari, ed uno svantaggio in termini di prestazioni.

    La soluzione a tale inconveniente sembra poter arrivare da celle planari a media temperatura, cioè operanti a temperatura inferiore ai 700°C.

    Per il momento le celle di tipo SOFC, se si esclude la tecnologia tubolare, copre taglie che difficilmente raggiungono 20 kW.

     

    - Le fuel cell a carbonati fusi (MCFC), operano a temperature di circa 650° C. Sono attualmente allo stadio di prototipi di potenza di tipo pre-commerciale, con moduli da 100 a 500 kW e sistemi di tipo Multi-MegaWatt.

    A differenza delle SOFC, l’elettrolitica è allo stato liquido, eliminando così i problemi legati alle dilatazioni termiche. Per contro, l’elettrolita liquido causa problemi di corrosione e di evaporazione (e conseguentemente diminuzione) dello stesso.

    Tuttavia, dato il forte impegno in Usa, Europa, Giappone e Corea del Sud e per le eccellenti prestazioni, sono stati installate diverse decine di impianti in tutto il mondo.

    Come per le SOFC, anche le MCFC presentano la possibilità di cicli combinati e cogenerazione, essendo i gas in uscita dallo stack ad alta temperatura.

    Le alte temperature consentono la possibilità di costruire celle con reforming interno.

    Una delle aziende leader nella produzione di MCFC è l’Italiana Ansaldo Fuel Cells S.p.A., con seda a Genova e centro produttivo a Terni.

    Nella seguente tabella 1 si riportano le diverse tecnologie, suddivise secondo il criterio appena esposto riportando le principali caratteristiche di ognuna.

     

    TIPO

     

     

    CARATTERISTICHE

    CELLE A BASSA

    TEMPERATURA

    CELLE ED ALTA

    TEMPERATURA

    AFC

    PEFC

    PAFC

    MCFC

    SOFC

    ELETTROLITA

    Idrossido di potassio

    Membrana polimerica

    Acido fosforico

    Carbonato di litio e potassio

    Ossido di zirconio drogato

    CARRIER DI CARICA

    OH-

    H+

    H+

    CO3=

    O=

    TEMPERATURA DI ESERCIZIO (°C)

    60-120

    70-100

    160-220

    600-650

    800-1000

    CATALIZZATORE

    Pt/Pd Ni

    Platino

    Platino

    Nichel

    Non richiesto

    COMBUSTIBILE IMPIANTI

    Idrogeno puro

    Idrogeno, gas riformati

    Idrogeno, gas riformati

    Idrogeno, gas riformati

    Idrogeno, gas riformati, gas da carbone

    EFFICIENZA ELETTRICA (%)

    60

    40-60

    40-50

    45-55

    45-60

    DENSITA’ DI POTENZA (Mw/cm2)

    300-500

    300-900

    150-300

    150

    150-270

    TEMPO DI AVVIAMENTO

    Minuti

    Minuti

    1-4h

    5-10h

    5-10h

    APPLICAZIONI

    Applicazioni Spaziali, generatori portatili, trasporto

    Piccoli generatori per cogenerazione e usi residenziali, trasporto

    Cogenerazione, potenza distribuita

    Cogenerazione industriale, potenza distribuita

    Cogenerazione industriale, potenza distribuita

    DISPONIBILITA’ COMMERCIALE

    Applicazioni spaziali

    2002-2003 (gen.stazionaria) 2003-2005 (trasporto)

    1995-2000

    > 2003

    > 2005

    Tabella 1

     

    4. VANTAGGI CONNESSI ALL’USO DI CELLE A COMBUSTIBILE

    I vantaggi associati all’uso di celle a combustibile per la produzione di energia elettrica sono diversa natura e possono essere raggruppati in:

    - ridotte dimensioni;

    - alti rendimenti;

    - possibilità di utilizzo di un’ampia gamma di combustibili;

    - efficienza indipendente dal carico e dalle dimensioni dell’impianto;

    - silenziosità.

     

    Ridotte emissioni. Come si può notare dalla relazione (1), le celle a combustibile producono come prodotto finale soltanto acqua. Le emissioni associate al loro funzionamento, dunque, sono pressoché nulle. Le cause di emissioni in atmosfera vanno però ricercate non nel funzionamento della cella, ma nell’unità di produzione e purificazione dell’idrogeno.

    I metodi per la produzione d’idrogeno sono numerosi, alcuni di questi possono ritenersi ormai consolidati nel campo industriale, altri in fase di sperimentazione, tuttavia ad ognuno è associabile un carico ambientale non trascurabile. La valutazione del sistema ottimale per la produzione di idrogeno resta tuttora argomento di ricerca ed esula dallo scopo del presente articolo. In ogni caso è stato dimostrato da studi di ciclo di vita (LCA) su celle a combustibile di diversa natura che le emissioni associate alla produzione di energia elettrica risultano notevolmente ridotte, rispetto ai metodi tradizionali, riducendo in maniera drastica sia gli NOx che la CO2 e CO [4,5,6,7].

    - Alti rendimenti. I rendimenti elettrici di impianti con celle a combustibile variano da un 30-70%. Questi ultimi valori possono essere ottenuti tramite impianti combinati (con turbine a vapore o turbine a gas). L’Americana Fuel Cell Energy, Inc. ha testato su campo diversi impianti, costituiti da moduli fuel cell a reforming interno, alimentati a gas naturale ed una microturbina. Il sistema viene prodotto con il nome di DFC/T [8]. Gli alti rendimenti, oltre a rappresentare un risparmio economico sul combustibile, hanno come conseguenza anche minor impatto ambientale legato alla produzione, raffinazione, stoccaggio e trasporto del combustibile, nonché minori emissioni (rispetto ad un processo di conversione energetico a bassa efficienza) a parità di energia elettrica prodotta.

     

    - Possibilità di utilizzo di un’ampia gamma di combustibili. La presenza del reformer, che trasforma il combustibile usato in un gas ricco di idrogeno, permette alla cella di utilizzare una vasta gamma di combustibili gassosi (metano, metanolo, gas naturale, etc.), o gas di sintesi (derivati da combustibili liquidi, gassificazione del carbone, biomasse).
    Non è, infatti, da sottovalutare la possibilità di impiego di combustibili derivati da rifiuti o da biomasse quali gas di discarica, gas di gassificazione o pirolisi; in

     

    - Efficienza indipendente dal carico e dalle dimensioni dell’impianto. Il rendimento delle celle è poco sensibile alle variazioni del carico elettrico, diversamente da quanto avviene con gli impianti convenzionali. Il rendimento è inoltre indipendente dalla potenza installata, entro un ampio intervallo di potenza, mentre negli impianti tradizionali il rendimento diminuisce al decrescere della taglia dell’impianto, questa peculiarità rende le celle a combustibile particolarmente idonee alla realizzazione di scenari di energia distribuita.

     

    - Silenziosità. L’assenza di parti in movimento fa si che gli impianti presentino bassissime emissioni sonore, associate ai soli impianti ausiliari (soffianti, compressori, pompe etc)

     

    5. APPLICAZIONI NEL CAMPO DELLA PRODUZIONE DI ENERGIA ELETTRICA

    5.1 Impianti con celle a combustibile

    Nonostante una cella a combustibile sia in grado di produrre da sola elettricità, gli impianti necessitano di un gran numero di componenti impiantistici. La cella richiede infatti un combustibile gassoso di opportuna composizione chimica, temperatura e pressione; la cella produce inoltre elettricità in corrente continua ed espelle gas ad elevata temperatura. I componenti impiegati devono consentire l’utilizzo, tra gli altri, di combustibili tradizionali, di connettere l’impianto alla rete elettrica e di utilizzare il calore refluo per scopi cogenerativi (cioè produzione contemporanea di elettricità e calore) o per l’integrazione in sistemi ibridi.

    In cosa consiste un impianto base di una cella a combustibile?

    L’impianto base consiste in:

    una sessione per il fuel processing (clean-up, reforming, eventuale shift,etc);
    una power section, formata dagli stack, in cui si ottiene la produzione di energia elettrica;
    una sezione per il conditioning dell’output elettrico (inverter, trasformatore) ed eventualmente in una sezione per il recupero del calore refluo.

    La figura 3 mostra schematicamente queste tre componenti.

    Le tre componenti di un impianto base di celle a combustibile: fuel processor, power section e power conditioner

    Figura 3 Schema di impianto. Le tre componenti di un impianto base di celle a combustibile sono: fuel processor, power section e power conditioner.

    Il progetto di un sistema completo richiede una serie di scelte, spesso frutto di compromessi tecnici, per integrare sistemi in maniera efficiente e con bassi costi di investimento.

    Le scelte dei processi da utilizzare e delle tecnologie non sono solo funzione del combustibile utilizzato, della taglia d’impianto, dell’impiego di calore refluo, dei criteri d’ingombro e peso e della propensione al rischio, ma sono anche soggette ad esigenze specifiche per ogni singolo progetto.

     

    Funzionamento di un impianto base di celle a combustibile:
    Nell’esempio di figura 3, il combustibile entra nella sezione di fuel processing in cui viene convertito in gas ricco di H2 ed eventualmente CO. Il calore necessario per tale processo viene recuperato tramite il calore reso disponibile dalla reazione avvenuta nella cella a combustibile (si ricordi che la reazione di reforming è endotermica, mentre quella elettrochimica della cella è esotermica).
    Il gas ottenuto viene inviato agli stack, dove, grazie all’aria introdotta al catodo, avviene la reazione che porta alla produzione di H2O, energia elettrica e calore. La corrente elettrica ottenuta viene convertita in corrente alternata e successivamente immessa nella rete di distribuzione, o prontamente utilizzata dall’utente finale.

     

    5.2 Vantaggi e svantaggi associati alle diverse tecnologie di FC per la produzione di energia elettrica

     

    Attualmente le celle a combustibili ad acido fosforica (PAFC) sono le uniche ad essere entrate nel mercato, pur presentando costi d’impianto molto elevati. Queste, insieme alle SOFC, PEM e MCFC (seppure quest’ultime sono ancora in fase pre-commerciale) possono rappresentare una valida alternativa ai metodi tradizionali per la produzione di energia elettrica.

    Nella seguente figura 4 si riportano, a seconda della potenza installata, la tipologia di FC utilizzabile e i relativi sistemi attualmente utilizzati .

     


    Possibili applicazioni delle celle a combustibileFigura 4 Possibili applicazioni delle celle a combustibile

     

    I principali vantaggi associabili all’uso delle celle a combustibile per applicazioni “stationary” sono stati ampiamente descritti nella sezione 4 del presente lavoro. È il caso, tuttavia, di evidenziare che accanto ai benefici direttamente riscontrabili dal funzionamento delle celle a combustibile, ce ne sono altri indotti, quali ad esempio la possibilità di realizzare scenari di produzione di energia elettrica “distribuita” e la possibilità di aumentare notevolmente l’uso di energie rinnovabili a sostituzione dell’uso di combustibili di origine fossile.

     

     

     

    5.2.1 Scenario di produzione di energia elettrica distribuita e uso delle FC

     

    La produzione di energia elettrica di tipo distribuita prevede la produzione di energia elettrica, non da impianti di grossa taglia, ma tramite impianti di piccola-media taglia posizionati in zone limitrofe l’utilizzatore.

    Tale soluzione permette una sostanziale riduzione delle perdite connesse al trasporto di energia elettrica tramite elettrodotti, un aumento di affidabilità del sistema di approvvigionamento, l’eliminazione (almeno parziale) del problema associato alla richiesta di energia durante le ore “di punta”, nonché una sostanziale diminuzione dell’inquinamento elettromagnetico associato agli elettrodotti.

    Va tuttavia notato che gli impianti di conversione energetica di tipo “tradizionale” sono molto sensibili ai fenomeni di scala. Questo vuol dire che impianti con turbogas, turbine a vapore di piccola taglia presentano rendimenti molto inferiori rispetto a quelli con potenze elevate. La realizzazione di uno scenario di tipo “distribuito” con le attuali tecnologie condurrebbe ad una sostanziale diminuzione del rendimento di conversione e, conseguentemente, costi maggiori, maggiore uso delle risorse e maggiore emissione di inquinanti.

    Accanto alla ricerca di soluzioni impiantistiche che possano consentire anche ad impianti di taglia ridotta di ottenere rendimenti accettabili (un esempio è fornito dalle micro-turbine), l’ingresso nel mercato delle celle a combustibile porterebbe una sostanziale spinta alla realizzazione di tale scenario. Come precedentemente affermato, infatti, la modularità delle FC permettere di realizzare impianti di qualsiasi taglia, con rendimenti pressoché identici tra loro. La possibilità di realizzare impianti cogenerativi, inoltre, fa prospettare interessanti applicazioni per il riscaldamento degli edifici alimentati dalle stesse per l’approvvigionamento di energia elettrica.

    Nella seguente figura 5, si illustra la possibilità dell’uso di FC negli edifici residenziali [11].

    Figura 5 - Possibili scenari di energia distribuita

    Figura 5 - Possibili scenari di energia distribuita.

     

     

     

     

     

     

    5.2.2 Prospettive sull’uso di energie rinnovabili per la produzione di energia elettrica tramite FC

    L’uso di fonti di energia rinnovabile risulta di particolare interesse in paesi come l’Italia, i quali hanno pochissimi giacimenti di combustibile di origine fossile ed importano per la gran parte tali combustibili dall’estero. Restano inoltre evidenti i vantaggi in termini ambientali dell’uso di combustibili di origine non fossile.

    Attualmente esistono diverse tecnologie per lo sfruttamento di energie rinnovabili, tuttavia il loro scarso rendimento, gli alti costi e problemi di tipo logistico rendono impossibile il diffondersi di tali sistemi di conversione energetica, per questi motivi gli impianti esistenti vengono realizzati tramite sovvenzioni governative o particolari leggi che obbligano le società che producono energia elettrica a produrne una parte tramite energia rinnovabile (il caso dei certificati verdi per l’Italia).

    Considerando ad esempio il caso dell’energia solare sfruttata tramite pannelli fotovoltaici, i fattori che rendono difficile la diffusione sono certamente la bassa energia estraibile in relazione alla superficie del pannello utilizzato e la difficoltà di accumulare l’energia elettrica prodotta durante le ore in cui il pannello resta esposto la sole.

    Quest’ultimo problema può essere bypassato tramite l’uso di celle a combustibile. Il principio delle così dette “regenerative fuel cell” è quello di accumulare l’energia estratta dal sole, non sottoforma di energia elettrica, ma sotto forma di idrogeno, più facile da stoccare e da utilizzare nel momento in cui il carico elettrico richieda maggiore energia elettrica.

    Se da un punto di vista logistico tali FC risolvono il problema dell’accumulo di energia estratta dal sole, da un punto di vista energetico, risultano tutt’altro che intelligenti. La produzione dell’idrogeno dal solare, infatti, si fa tramite elettrolisi. Questo vuol dire che l’energia elettrica estratta dal sole viene convertita in energia elettrica, questa a sua volta in energia chimica (sotto forma di idrogeno a partire dall’acqua) per tornare nuovamente a produrre energia elettrica ed acqua, tramite cella a combustibile.

    Avendo introdotto due passaggi (produzione di idrogeno e cella a combustibile) risulta chiaro che il rendimento dell’intero sistema risulta molto minore del solo pannello fotovoltaico. Per questo motivo l’uso del fotovoltaico accoppiato alle celle a combustibile risulta interessante solamente in particolari applicazioni, come ad esempio per la fornitura di energia elettrica e calore a costruzioni poste in zone remote, lontane dalla rete nazionale.

    L'uso di biomasse e rifiuti nelle celle a combustibile

    Di particolare interesse per la produzione a larga scale di energia tramite FC risulta invece l’uso di biomasse e rifiuti. Una forma particolarmente pulita risulta essere la gassificazione e la pirolisi. Si tratta di una combustione con difetto di agente ossidante (la prima) o in totale assenza di esso (pirolisi).

    Tali pratiche permettono di realizzare un gas di sintesi, a partire da biomasse o rifiuti, ad alto potere calorifico, ricco di idrogeno e producendo una quantità di inquinanti, quali diossine e NOx notevolmente ridotti rispetto alla normale combustione. Il possibile accoppiamento di un gassificatore con una cella a combustibile ad alta temperatura fu proposta nel 1998 da Lobachyov e Richter [12].

    Tale soluzione impiantistica è stata ripresa in successivi in studi [9, 13], valutando i possibili risultati ottenibili e la possibilità di utilizzare rifiuti solidi come combustibile da gassificare.

    Nella seguente figura 6 si riporta lo schema d’impianto considerato in [13]. Il principio si basa sull’uso del gas di sintesi per alimentare l’anodo, mentre il catodo viene alimentato con i gas provenienti dal combustore (elemento che sostituisce il combustore catalitico presente negli impianti MCFC). Nel caso di biomasse e rifiuti restano tuttavia aperti i problemi legati alla presenza di contaminanti nei gas di sintesi, quali ad esempio cloro, zolfo, alcali, silossani.

    Le concentrazioni massime che le MCFC possono tollerare sono attualmente oggetto di studio in Italia da parte del Dipartimento di Ingegneria Industriale dell’Università degli Studi di Perugia, mentre all’estero tali effetti vengono studiati dal CRIEPI in Giappone e dal DOE negli Stati Uniti, dal KIST nella Corea del Sud, oltre che da società private operanti nel settore.

    Il problema degli inquinanti ed il relativo accoppiamento con FC riguarda anche il caso in cui si utilizzi gas da discarica per la produzione di idrogeno e relativa alimentazione di una FC. In tal caso [3], il problema degli inquinanti riguarda non solo la cella, ma anche il reformer, necessario alla conversione del metano presente nel biogas.

    Figura 6 Impianto Gassificatore Battelle-MCFC [13]Figura 6 Impianto Gassificatore Battelle-MCFC [13]

     

    I vantaggi di tipo ambientali derivanti dall’uso di MCFC, rispetto alle altre tecnologie utilizzabili per la conversione energetica del biogas da discarica sono stati analizzati, invece in [14].

    Altre soluzioni possibili sono l’accoppiamento di una FC con un di gestore anaerobico [15] .

    Questo caso, da un punto di vista tecnico-ambientale è riconducibile al semplice caso del landfill gas. Il di gestore anaerobico, infatti, ha soltanto la funzione di accelerare il processo di digestione dei rifiuti che in discarica avviene con tempi molto maggiori.

     

     

    6. CONCLUSIONI

     

    Nella presenta memoria sono state presentate le possibili applicazioni delle celle a combustibile nel campo della produzione di energia elettrica. Tale campo risulta essere molto vasto ed per ognuno di essi, accanto agli interessi di tipo ambientale, si prospettano interessanti ritorni economici associabili agli alti rendimenti di conversione e quindi ad un minor costo relativo al consumo del combustibile.

    Tali vantaggi, tuttavia, potranno ritenersi fruibili, non appena verranno raggiunti gli obiettivi di affidabilità, durata e costi che renderanno le FC competitive con le attuali tecnologie per la produzione di energia elettrica.

     

     

     

    NOMENCLATURA

     

    FC = Cella a combustibile

    MCFC = Cella a Combustibile a Carbonati Fusi

    SOFC = Celle a Combustibile ad Ossidi Solidi

    PEM = Celle a Combustibile a Membrana Polimerica

    AFC = Celle a Combustibile Alcaline

    PAFC = Celle a Combustibile ad Acido Fosforico

    Monocella = Singola cella a combustibile costituente uno stack

    Stack = Insieme di più singole celle assemblate tra loro per ottenere voltaggio e potenza elettrica desiderata

    Reforming = Reazione con la quale si ottiene una miscela di gas ricca di idrogeno a partire da un idrocarburo



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