Fuel cell, cosa sono e come funzionano

Le fuel cell, o celle a combustibile, non sono un’innovazione recente, ma si basano su un principio fisico scoperto nel 1839, quasi 180 anni fa, da William Grove e applicato nelle missioni spaziali. Le celle a combustibile sono generatori chimici di energia elettrica che sfruttano il principio inverso a quello dell’elettrolisi dove la corrente elettrica scinde le molecole di acqua in idrogeno e ossigeno.

Al contrario, nelle fuel cell questi due gas reagiscono l’uno con l’altro producendo energia elettrica, liberando acqua. Una pila a combustibile è quindi composta da un elemento in cui idrogeno e ossigeno vengono a contatto creando una differenza di potenziali ai capi di un anodo e di un catodo separati, nei sistemi più moderni da una sottile membrana polimerica. E fu proprio il malfuzionamento di uno di questi generatori a far fallire la missione dell’Apollo 13 durante l’epopea per la conquista della Luna.

La ricerca tecnologica verte sulla riduzione di ingombri, dei pesi e dei costi.
Le fuel cell, applicate al campo automobilistico diventano una sorta di pila che alimenta motori elettrici, liberando così la vettura elettrica dalla ricarica con la presa di corrente.
Hanno avuto alterne fortune: le case hanno investito ingenti risorse ma non si è mai andati oltre i prototipi, anche molto definitivi come quelli dell’ormai anziano progetto Necar di Mercedes. Il problema resta infatti quello dei costi. Ma non solo.

Tre sono le ipotesi per le vetture mosse da pile a combustibile: con serbatoi di idrogeno che alimentano le celle direttamente; con un reformer per produrre l’idrogeno a bordo attraverso la conversione di un idrocarburo in idrogeno (o di un composto ricco di idrogeno) e anidride carbonica (residuo allo scarico); con celle alimentate direttamente a metanolo.
Le vetture a fuel cell presentano alcuni vantaggi rispetto a veicoli con motore a ciclo otto o con propulsione elettrica e accumulatori. Qualora questi generatori elettrochimici siano alimentati direttamente da idrogeno si realizza uno Zev (Zero emission vehicle), a emissioni zero. Ma, se si usano gli altri schemi, si ottiene un veicolo a emissioni quasi nulle (Near zero-emission vehicle – Nzev).

La configurazione con idrogeno a bordo è più semplice rispetto a quella che prevede la trasformazione, tuttavia vi sono problemi di costi, di distribuzione e di sicurezza. La ricerca è orientata a comprimere fino a 200 bar l’idrogeno in serbatoi speciali oppure a utilizzare idrogeno liquido (sistema che è però molto costoso) o, ancora, usare “spugne” di idruri metallici.
La seconda architettura – produzione di idrogeno a bordo con conversione di idrocarburi, anche benzina – pare essere una scelta più praticabile nel breve termine poiché i derivati del petrolio continuerebbero a mantenere un ruolo importante nell’autotrazione.

La terza ipotesi è l’utilizzo delle cosiddette Dmfc (celle a combustibile polimeriche a metanolo diretto) dove il combustibile non è idrogeno bensì metanolo. In questo modo si semplifica la struttura e i costi eliminando serbatoi e reformer.
Al di là dei facili entusiasmi va ribadito che le celle a combustibile, a parte quelle a idrogeno diretto, producono un certo quantitativo di anidride carbonica allo scarico dell’auto.
L’idrogeno non è una fonte di energia, ma è solo un vettore. Non esiste libero in natura e va prodotto e questo costa energia. E altra energia va spesa – e prodotta – per comprimerlo nel serbatoio. E dunque il vantaggio energetico dell’idrogeno è tutto da verificare, anche in relazione ad architetture come l’ibrido: elettrico e combustione interna

Va dunque valutato il bilancio energetico complessivo e il livello di emissioni globali: l’idrogeno non esiste libero e per produrlo bisogno spendere energia (fonti fossili, nucleari, eoliche, solari) e questo ha un suo impatto ambientale così come lo hanno i “distributori” che producono l’idrogeno in loco convertendo metano e nei quali si libera C02 che poi va “confinata”.
Ad ogni modo le emissioni sono comunque molto più contenute rispetto ai propulsori tradizionali e i rendimenti più elevati benché i progressi sui diesel (common rail) e sull’iniezione diretta di benzina potrebbero rendere i “vecchi” motori ancora competitivi.

Le fuel cell sono una distructive technology per l’industria dell’auto, una tecnologia capace di cambiarne completamente il business, i processi e i prodotti. Al di là dell’aspetto esterno della carrozzeria (che potrebbe non differire troppo in futuro) quello che cambierà è la struttura dell’auto: i motori elettrici non hanno bisogno di cambio e tutti i gruppi meccanici, sono alloggiati in una piattaforma integrata, mentre i motori possono anche essere calettati direttamente sulle quattro ruote. Destinati a mutare anche i modelli di business e le competenze delle case automobilistiche che si basano in gran parte nella progettazione/produzione di motori a scoppio. L’auto a fuel cell potrebbe essere una trasformazione epocale, ma la sfida, anche in termini di guidabilità e prestazioni, è tutta da affrontare. E non a casa la scommessa pare essere l’auto elettrica alimentata con batterie Li.Ion, quelle dei telefonini e dei computer portatili.

Fonte: http://www.ilsole24ore.com