Una panoramica sull'idrogeno e sui suoi possibili utilizzi

[Dragonball (POL)]

IDROGENO




L’idrogeno (simbolo chimico H) è ampiamente diffuso in natura nell’acqua, nei petroli, nei minerali, nelle piante e negli esseri viventi. E’ presente inoltre in enormi quantità nel sole e nelle stelle ed è l’elemento più diffuso nell’universo (circa il 75%). Gas incolore, inodore, insapore, fu scoperto da H. Cavendish nel 1766.

L’idrogeno è presente in tre diversi isotopi (atomi con uguale configurazione elettronica ma diversa massa): Idrogeno (99,985%), Deuterio (0,015%), Trizio (10-15%).



La molecola H2 presenta un elevata energia di reazione (436 kJmol-1)e perciò non reagisce facilmente.

Le dimensioni ridottissime rispetto alla sua carica nucleare fanno si che le sue proprietà chimiche siano difficilmente riconducibile a quelle di altri atomi appartenenti ai diversi gruppi periodici.

In realtà il comportamento chimico dell’idrogeno viene condizionato dal valore della elettronegatività dell’atomo partner a cui è legato. E’ possibile così che perda il suo elettrone formando H+, acquisti un elettrone formando H-, formi legame covalente.

Altra caratteristica unica dell’atomo di idrogeno è quella di dar luogo al legame di idrogeno, di natura elettrostatica covalente, possibile quando l’idrogeno stesso è impegnato in composti in cui l’atomo partner lo protonizza fortemente. Il legame idrogeno è fondamentale ad esempio nel determinare le proprietà chimico fisiche dell’acqua, dell’ammoniaca, di un gran numero di composti organici, ecc.. Basti pensare che nel caso dell’acqua il legame idrogeno esistente fra molecole di H2O determina in larga parte la temperatura di ebollizione e di fusione di questa specie chimica. L’acqua bolle a 100 °C e fonde a 0 °C ma in assenza del legame idrogeno queste temperature dovrebbero essere ridotte a circa –80 °C e –100 °C rispettivamente, con la conseguenza immediata di rendere impossibile la vita sulla nostra terra!

Esistono diversi processi per produrre idrogeno metodi di produzione industriale per l’idrogeno:


Processo dal gas d’acqua impiegato nella produzione di ammoniaca
Elettrolisi di soluzioni acquose
Processo termochimica
La produzione mondiale di idrogeno è valutabile attorno ai venti milioni di tonnellate/anno, di cui circa il 65% dal reforming di idrocarburi leggeri, 25% da cracking ossidativi di idrocarburi, 7% dalla massificazione del carbone e 3% da processi elettrolitici.

Tale produzione viene assorbita per il 50% dalla fabbricazione di ammoniaca, per il 20% dalla fabbricazione del alcool metilico (CH3OH), del cloruro di idrogeno e dai processi di idrogenazione di oli vegetali (di cotone, di cocco, di soia, ecc.) per la fabbricazione di grassi alimentari, per il 25% per l’idrogenazione di prodotti petroliferi per ottenere benzine e per il restante 5% come atmosfera riducente in trattamenti termici dei metalli.


Un elemento dalle proprietà uniche
L'idrogeno è il più leggero degli elementi, essendo costituito da un solo protone e un elettrone.
In natura esiste anche l'isotopo 2, o deuterio, con un neutrone, ma l'idrogeno 1, o prozio, è di gran lunga prevalente costituendo il 99,98 della miscela naturale.
L'idrogeno 3, o trizio, con due neutroni, viene prodotto nelle interazioni nucleari.

L'idrogeno naturale, costituito da molecole biatomiche (H2), non si trova sulla Terra poiché, essendo 14,4 volte più leggero dell'aria, non viene trattenuto da questa, ma si disperde nello spazio.
Nell'universo è l'elemento più abbondante, ma rappresenta solo lo 0,9 per cento della crosta terrestre;
allo stato libero è estremamente raro e si trova principalmente nei gas vulcanici e come sottoprodotto della fermentazione.
È tuttavia costituente fondamentale dell'acqua e degli idrocarburi e, in misura minore, è presente nel carbon fossile e nei composti organici.

Si combina facilmente con l'ossigeno formando acqua.
La reazione avviene lentamente a bassa temperatura. ma con andamento esplosivo sopra i 550 °C.
Il limite di infiammabilità è molto ampio, essendo compreso fra il 4 e il 75 per cento in volume;
parimenti il limite di detonabilità, compreso fra il 18,5 e il 59 per cento in volume.
Il potere calorifico superiore è di 2889 kcal/Stmc, quello inferiore di 2440. Per confronto gli stessi valori per il metano sono rispettivamente 9019 e 8120.






Come produrre idrogeno
Come si è detto sopra, questo elemento è rarissimo allo stato libero: va quindi estratto dalle molecole che lo contengono.
Per questo deve essere considerato un vettore energetico, piuttosto che una fonte primaria.

Oggi l'idrogeno è prodotto per l'industria chimica, utilizzando il processo di steam reforming (trasformazione con vapore) che si effettua, partendo da gas metano o da frazioni leggere di petrolio, con vapore d'acqua in presenza di un catalizzatore (generalmente nichel) alla temperatura di 800 °C. Il gas risultante contiene anche monossido di carbonio che, reagendo con il vapore, si trasforma in biossido di carbonio (anidride carbonica) facilmente eliminabile.

L'idrogeno si produce anche facendo reagire a 900 °C il vapor d'acqua con carbone coke e poi, a 500 °C, con un catalizzatore a base di ossidi di ferro; il gas risultante, formato da idrogeno e monossido di carbonio, era un tempo utilizzato come gas di città.

L'utilizzo su vasta scala dell'idrogeno dovrebbe privilegiare la sua estrazione dall'acqua, a meno che non si utilizzino composti di carbonio sequestrando poi il carbonio stesso. Questo è possibile con svariati procedimenti, alcuni maturi industrialmente, come l'elettrolisi, altri ancora oggetto di indagine.
Anche se questi ultimi non possono ancora competere economicamente con quelli privilegiati dall'industria chimica, si ritiene che, una volta perfezionati dal punto di vista tecnologico e diffusi su ampia scala, possano divenire competitivi, con ovvi vantaggi dal punto di vista dell'approvvigionamento e della salvaguardia ambientale.

Il processo maggiormente sviluppato è l'elettrolisi dell'acqua, che utilizza 4-5 chilowattora di energia elettrica per ogni metro cubo di idrogeno prodotto. Questo metodo è oggi utilizzato in alcuni grandi impianti sorti in vicinanza di centrali idroelettriche, che producono elettricità a basso costo e in modo continuativo, utilizzando le ore di basso consumo (per esempio notturne) e ottimizzando così il rendimento.

Una tecnologia che sembra costituita ad hoc per la produzione dell'idrogeno è quella dei pannelli solari fotovoltaici. Tutti i sistemi di produzione «alternativi» (solare termico, eolico, geotermico) trarrebbero comunque vantaggio dalla produzione di idrogeno.

La produzione diretta per termolisi dell'acqua avviene a temperatura molto elevata (3500 kelvin), per cui si preferisce utilizzare cicli termochimici che coinvolgono ossidi metallici o reazioni ossidoriduttive. Sono allo studio cicli termochimici che, si spera, possano servire a produrre idrogeno da fonti di calore ad alta temperatura, come il solare termico e il fotovoltaico.

L'idrogeno si può produrre anche nelle centrali nucleari, in special modo nei reattori di tipo HTGR (reattore a gas ad alta temperatura) o in quelli, progettati da Carlo Rubbia, che utilizzano un sistema ibrido reattore-acceleratore. Questi sono infatti caratterizzati da una temperatura di uscita del vapore più alta rispetto ai reattori convenzionali, e presentano il vantaggio di un maggior rendimento energetico, facilitando la produzione di idrogeno.

Il motivo per cui si continuano le ricerche di sistemi alternativi di produzione è la speranza di sfruttare maggiormente l'energia.
Infatti, la trasformazione di calore in elettricità avviene con un rendimento non superiore al 40 per cento, mentre il processo elettrochimico non supera il 90 per cento; quindi, alla fine, il rendimento massimo ipotizzabile è del 36 per cento, inferiore a quello di un impianto termico diretto.

Agli inizi degli anni settanta due ricercatori giapponesi, Fujishima e Honda, hanno brevettato un procedimento di fotoelettrolisi, basato sul biossido di titanio, o rutilo, come fotoelettrodo, che ha dato inizio a numerose ricerche, non ancora sfociate nella realizzazione di un impianto.

La scissione dell'acqua si potrebbe realizzare anche per fotolisi, sfruttando cioè la radiazione solare luminosa.
I ricercatori che perseguono questo metodo sono ancora lontani, anche concettualmente, dalla soluzione.

Allo scopo di abbattere drasticamente i costi di produzione e l'impatto sull'ambiente delle fonti energetiche, Italia e Giappone stanno studiando l'utilizzo di energia solare abbinata a sistemi biologici, come alghe, microrganismi ingegnerizzati, rifiuti organici. In particolare, gli studi sono rivolti all'ingegneria genetica per ottimizzare la produzione di idrogeno da parte di microrganismi fotosintetici. Molto attivi in questo campo sono i laboratori dell'ENIRicerche, grazie agli studi effettuati, nel centro di San Donato Milanese, sul Pyrococcus furiosus, un batterio resistente a temperature elevate e, considerato molto promettente.

Negli Stati Uniti si sta sperimentando da diversi anni la gassificazione del carbone per produrre direttamente idrogeno in miniera. Così le scorie resterebbero confinate all'interno delle miniere. Si tratta di una tecnologia assai dispendiosa, che però potrebbe risultare economicamente vantaggiosa sottraendo i costi relativi al disinquinamento nell'utilizzo diretto del carbone.





Trasporto e stoccaggio
Uno dei motivi che hanno frenato la diffusione dell'idrogeno è la difficoltà di trasporto, sia per la bassa densità energetica, sia perché esplosivo, infiammabile ed estremamente volatile.
La liquefazione dell'idrogeno non è la soluzione più conveniente dal punto di vista energetico, anche se, utilizzata in simbiosi con altre tecnologie, potrebbe rivelarsi vantaggiosa.

Il metodo più sfruttato è l'uso di bombole ad alta pressione (200-300 bar). Le pesanti bombole industriali possono essere vantaggiosamente sostituite con quelle in alluminio a doppia parete, del tipo, per esempio, sviluppato dall'ENEA per un progetto di alimentazione a idrogeno di un veicolo Ducato FIAT.
Sono allo studio bombole che presentano un rapporto peso/accumulo ancora maggiore, essendo costruite in fibre sintetiche.

Per il consumo presso abitazioni e industrie si possono usare idrogenodotti costruiti ad hoc o metanodotti adattati.
Germania, Belgio e Francia hanno sviluppato nell'insieme quasi 2000 chilometri di idrogenodotti, attualmente utilizzati dall'industria chimica, e anche in Gran Bretagna, negli Stati Uniti e nell'Italia meridionale sono già disponibili alcune tratte di idrogenodotti.
Il vantaggio di questo sistema è dato dalla velocità di flusso (la velocità con cui un gas fluisce in una tubazione e proporzionale all'inverso della radice quadrata del suo peso molecolare).
Poiché l'idrogeno produce una quantità di energia per unità di peso che è 2,5 volte inferiore rispetto al metano, ma è 2,8 volte più veloce di questo, esso trasporta all'incirca la stessa quantità di energia nell'unità di tempo; per lo stesso motivo, l'idrogeno richiede però una pressione di pompaggio tre volte superiore rispetto al metano e, a causa della minore densità, mentre il diametro ideale dei gasdotti è di 1,4 metri, quello degli idrogenodotti è di 2 metri.

Due tecnologie che potrebbero risolvere con sufficienti garanzie di sicurezza, praticità ed economicità il problema sono lo stoccaggio in caverne (già sperimentato in passato con il metano) e l'utilizzo di sfere di vetro.
Quest'ultima tecnologia si basa sullo sfruttamento della caratteristica del vetro di essere impermeabile all'idrogeno a temperatura ambiente, mentre diviene poroso ad alcune centinaia di gradi Celsius.
Finora questa tecnologia è stata studiata a livello teorico, ma sembra che i parametri che la caratterizzano offrano ottime possibilità.

Una tecnologia adatta ai mezzi di trasporto, attualmente in fase di studio, consiste nell'adozione di «nanotubi» di carbonio, strutture derivate dalla tecnologia dei fullereni, la terza forma allotropica del carbonio inorganico.
Già in un recente passato è stata sviluppata una tecnica di assorbimento di idrogeno in particolari carboni lavorati per ottenere alta porosità. Questi si caratterizzano per la capacità di assorbire idrogeno in maniera significativa, a pressioni di qualche decina di bar, se portati a temperatura inferiore a –150°C.
Si potrebbero usare anche grandi campane rovesciate su bacini d'acqua che garantiscano la tenuta ermetica inferiore. Tali serbatoi, per quanto voluminosi, sono molto affidabili ed erano già usati in passato per il gas di città.

L'idrogeno può essere trasportato allo stato liquido, purché il sistema sia adeguatamente isolato in contenitori a doppia parete con un'intercapedine a vuoto d'aria, in quanto la sua liquefazione avviene a -253 °C.
La scarsa reattività chimica dell'idrogeno a bassa temperatura elimina il problema dell'infragilimento dei metalli per formazione di idruri. Sono anche utilizzati tubi a doppia parete, ma solo per brevi distanze, a causa degli altissimi costi di produzione.

Un'altra soluzione è l'utilizzo contemporaneo dei tubi adibiti al trasporto di idrogeno come vettori di energia elettrica. Si sfrutta il principio della scomparsa, a bassissima temperatura, della resistenza elettrica nel tubo, che si comporta come un superconduttore.
Questo metodo potrebbe forse rendere economicamente conveniente il trasporto dell'idrogeno allo stato liquido.

La tecnologia dell'idrogeno liquido è ampiamente utilizzata nel settore spaziale, per esempio nelle navicelle spaziali shuttle che utilizzano particolari serbatoi di idrogeno e ossigeno, rispettivamente come combustibile e comburente. Essa è, anche argomento di un progetto perseguito dall'Unione Europea in collaborazione con il Governo del Quebec: Quebec Hydro-Hydrogen Pilot Project, al quale partecipano per l'Italia l'Ansaldo, la De Nora, il Registro navale (RINA), il Messer Griesheim e la Gestione Navigazione Laghi.


Un metodo per il trasporto e l'accumulo dell'idrogeno che ha già dimostrato la sua validità si basa sulla proprietà di questo elemento di formare idruri, ossia composti solidi con la maggior parte dei metalli elementari. Spesso la reazione avviene spontaneamente già a temperatura ambiente. Il fenomeno procede nei due sensi (è cioè reversibile) e dipende essenzialmente dalla pressione dell'idrogeno gassoso. Se questa è superiore a una certa soglia (pressione di equilibrio), la reazione evolve verso la formazione dell'idruro; in caso contrario avviene in senso inverso e l'idruro si decompone, restituendo l'idrogeno gassoso.

Il vantaggio dell'uso degli idruri è dato dalla densità estremamente elevata che permettono di raggiungere. Quando le molecole di idrogeno vengono a contatto con il metallo, alcune si dissociano e l'idrogeno atomico tende a occupare siti specifici del reticolo cristallino. Aumentando ancora la pressione, un numero limitato di atomi di idrogeno viene forzato all'interno del cristallo. In questo modo tutti i siti disponibili si saturano e tutta la massa metallica viene convertita in idruro.
Per aumentare la capacità di accumulo sono stati proposti serbatoi a polveri metalliche e messe a punto leghe che hanno un elevato rapporto peso/accumulo.
La capacità di assorbimento dell'idrogeno da parte degli idruri consente, a parità di volume, un rendimento maggiore rispetto all'idrogeno liquido. Recentemente la H. Power, una società statunitense, ha brevettato un metodo di accumulo che sfrutta la reazione del ferro con l'acqua. Utilizzando un particolare catalizzatore questa reazione viene accelerata e si libera idrogeno.

L'idrogeno può essere accumulato anche combinandolo con alcuni composti organici. ammoniaca, metanolo, metilcicloesano. In particolare l'utilizzo del toluene, con formazione di metilcicloesano, è promettente poiché sia il toluene sia il metilcicloesano sono composti conosciuti, facilmente trasportabili e sicuri. La formazione di metilcicloesano è ottenuta mediante idrogenazione del toluene, una reazione esotermica che è seguita da quella endotermica di deidrogenazione (che avviene a circa 500 °C), con un consumo del 20 per cento dell'energia contenuta nell'idrogeno liberato. Ciò significa che il restante 80 per cento può essere utilizzato. Per il peso e l'ingombro degli impianti questa tecnica si presta per un accumulo stagionale o per l'utilizzo su mezzi pesanti.





Più energia, meno inquinamento
L'idrogeno si presta a essere utilizzato come combustibile o nelle celle a combustibile o nei riscaldatori catalitici a bassa temperatura. In passato veniva utilizzato come gas di città. Qualsiasi idrocarburo addizionato con idrogeno migliora la combustione e il suo rendimento. Per questo motivo è in fase di valutazione, negli Stati Uniti, l'utilizzo di metano additivato con il 15 per cento in peso di idrogeno, corrispondente al 5 per cento in termini energetici, definito commercialmente Hythane.

La combustione dell'idrogeno non presenta particolari problemi e dà luogo a emissioni inquinanti notevolmente inferiori agli altri combustibili: l'unico prodotto inquinante è rappresentato dagli ossidi di azoto che si formano a causa della temperatura di combustione e, comunque, in misura minore rispetto ai combustibili fossili. Ovviamente, nel caso dell'idrogeno, non vi sono idrocarburi incombusti, anidride solforica (come con il gasolio) né anidride carbonica. La combustione avviene con fiamma non luminosa, con temperatura della fiamma a rapporto stechiometrico più alta che nel metano (2400 kelvin contro 2190).

In rapporto al metano, con l'idrogeno occorrono quantità volumetriche triple per ottenere lo stesso potere calorifico, ma la velocità di flusso è tre volte più alta, per cui è necessario apportare modifiche ai bruciatori a fiamma aperta. L'energia da fornire per ottenere, l'accensione dell'idrogeno in aria è notevolmente inferiore al metano, per cui esso si presta particolarmente per l'utilizzo in riscaldatori catalitici a bassa temperatura.

L'idrogeno è l'elemento ideale per le pile a combustibile. Inventate nel lontano 1839, le pile a combustibile sono attualmente oggetto di ricerca nell'industria, grazie al settore spaziale che le ha riesumate negli anni sessanta, dopo un secolo di oblio. Costituite da due elettrodi se parati da un elettrolita, si differenziano dalle classiche pile in quanto gli elettrodi non subiscono modifiche di struttura nelle reazioni ma fungono da supporto alle reazioni stesse, visto che i reagenti (idrogeno e ossigeno) provengono dall'esterno con continuità. Sia i riscaldatori catalitici sia le celle a combustibile presentano il vantaggio di non dar luogo, se non in misura ridotta, alla Formazione di ossidi di azoto (NOx).

Un sistema già economicamente conveniente per l'accumulo di energia sotto forma di idrogeno è rappresentato dall'impiego delle centrali idroelettriche di generazione e di pompaggio, qualora non siano disponibili bacini di accumulo o nei periodi di basso consumo. La costruzione di grosse dighe in Cina e in Brasile in località lontane dai centri di consumo trarrebbe giovamento dalla diffusione delle celle a combustibile, essendo troppo onerosa, in senso sia economico sia ambientale, la costruzione di lunghi elettrodotti. Il motivo per cui si preferiscono gli elettrodotti, malgrado le perdite di carico, va cercato nel rendimento che consentono di ottenere. Infatti, dal punto di vista termodinamico, è sempre preferibile energia coerente (elettrica) che incoerente (fluido).




Idrogeno per carburante
Il settore in cui più si sono concentrate le ricerche è quello dei trasporti.

Da decenni, nel trasporto aereo, si propone di utilizzare l'idrogeno, principalmente per il peso, molto inferiore al carboturbo che costituisce parte notevole del carico complessivo dei velivoli.
Le prime esperienze in questo campo risalgono al 1957, quando negli Stati Uniti fu costruito un bombardiere B-57 alimentato a idrogeno; nel 1988 l'Unione Sovietica realizzò un Tupolev-154 a idrogeno liquido.
Oggi, in Giappone, si stanno sviluppando progetti per un prototipo di aereo supersonico/ipersonico a idrogeno da parte di Fuji, Kawasaki e Mitsubishi Heavy Industries.



Nel settore del trasporto su gomma, le automobili - con i relativi problemi ambientali - rappresentano una voce rilevante del mercato dell'energia. Per questo si stanno intensificando gli studi sui veicoli che utilizzano idrogeno come combustibile e, almeno in questo campo, l'Italia è uno dei paesi leader.

Costi e benefici
Non possiamo concludere questa rassegna senza affrontare il problema dei costi dell'impiego dell'idrogeno come fonte energetica.

Anche per questo elemento vale l'assioma che il costo di un prodotto è inversamente proporzionale alla sua disponibilità su vasta scala, per cui esso può essere abbattuto con una sempre più ampia diffusione della tecnologia legata al suo impiego.

Attualmente la produzione dell'idrogeno non è competitiva con il prezzo dei combustibili fossili.
Dobbiamo però considerare che il petrolio facilmente estraibile è sempre più scarso e che quello ottenibile da giacimenti meno accessibili farà lievitare i prezzi.
Inoltre, lo sviluppo dei paesi in via di industrializzazione porterà a un incremento della domanda di energia e, quindi, di combustibili.
Se a ciò aggiungiamo l'orientamento dei paesi industrializzati, indirizzato verso un'imposizione fiscale sui danni ambientali (la cosiddetta carbon tax, già introdotta nel nostro paese), anche per cercare di rispettare gli accordi di Kyoto, ecco diventare meno ipotetica l'alternativa idrogeno.

Altro elemento da considerare è la progressiva diffusione delle centrali energetiche alternative (in particolare geotermico, eolico e fotovoltaico), e lo sviluppo della tecnologia delle celle a combustibili.
Tuttavia, ancora per alcuni decenni i combustibili fossili rappresenteranno la fonte energetica maggiormente utilizzata, con cospicue emissioni di C02 e altri inquinanti, seguita dall'energia idroelettrica e dalla fissione nucleare. In seguito si incrementerà in misura crescente il ricorso alle fonti definite alternative, vale a dire compatibili con la conservazione dell'ambiente e sostenibili nel tempo (ossia rinnovabili). Questo farà decollare l'utilizzo su vasta scala dell'idrogeno.

Superati i problemi tecnici, le celle a combustibile hanno dimostrato di essere una soluzione ideale per la produzione di energia in città.

Alta efficienza elettrica e termica, emissioni inquinanti molto ridotte, abbattimento dei costi e delle perdite di trasporto possono fornire la risposta ideale ai problemi delle aree densamente abitate.

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Introduzione alle Fuel Cell


Nel 1839 il fisico britannico William R. Grove dimostrò che la combinazione elettrochimica di idrogeno e ossigeno genera elettricità. Le celle a combustibile basate su questo concetto, tuttavia, restarono poco più che curiosità di laboratorio per oltre un secolo, e cioè fino agli anni sessanta, quando la NASA iniziò a realizzarne versioni leggere - e costose - come fonti di energia per veicoli spaziali. Oggi questa tecnologia, che garantisce potenzialmente un funzionamento pulito, silenzioso ed efficiente, viene proposta per una quantità di applicazioni, dai telefoni cellulari e dai computer portatili alle automobili e ai generatori domestici di energia.

Per la realizzazione di queste prospettive si profilano però numerosi ostacoli. Prima di tutto c'è il problema della fonte di combustibile. L'idrogeno liquido, molto ricco di energia, deve essere mantenuto a temperature assai poco pratiche, appena sopra lo zero assoluto. Il metanolo, liquido a temperatura ambiente, contiene idrogeno in abbondanza, ma la sua estrazione comporta una fase di conversione chimica piuttosto scomoda, e che richiede spesso costosi catalizzatori al platino. Questi e altri fattori complicano il progetto di base delle celle a combustibile, che spesso richiedono l'aggiunta di complessi sottosistemi.

Per nulla scoraggiati, vari gruppi di ricerca nel mondo hanno affrontato con decisione il problema di mettere a punto una tecnologia più pratica. I loro sforzi hanno, per esempio, abbattuto la quantità di platino necessaria per un particolare tipo di celle a combustibile di un fattore superiore a 30. Nella rassegna che presentiamo in questa sezione, esperti del settore descrivono lo stato attuale della commercializzazione di celle a combustibile in tre aree: mezzi di trasporto, dove resta difficile soppiantare i motori a combustione interna; impianti fissi, dove l'interesse si è spostato dai sistemi con potenza dell'ordine dei megawatt per la produzione di energia elettrica verso impianti più piccoli ideati per uso domestico; e strumenti elettronici portatili, dove celle a combustibile in miniatura potrebbero rimpiazzare le batterie ricaricabili.



Una cella a combustibile è un dispositivo fondamentalmente semplice, costituito da due elettrodi (un anodo e un catodo) tra i quali è posto un elettrolita (uno speciale polimero o altro materiale che permette il passaggio degli ioni, ma blocca gli elettroni).
Un combustibile contenente idrogeno fluisce verso l'anodo, dove vengono liberati elettroni dall'idrogeno, lasciando ioni di carica positiva, o cationi. Gli elettroni passano attraverso un circuito esterno, mentre i cationi diffondono attraverso l'elettrolita. In corrispondenza del catodo, gli elettroni si combinano con gli ioni idrogeno e con l'ossigeno formando acqua come sottoprodotto.
Per accelerare la reazione si usa spesso un catalizzatore, come il platino.
Le celle a combustibile e le batterie sono simili, in quanto entrambe si basano su processi elettrochimici, ma i reagenti in una cella a combustibile sono l'idrogeno e un ossidante, mentre in una batteria sono i materiali usati negli elettrodi.


schema pila a combustibile

cos'è una cella a combustibile

Con l'aumento del numero di autoveicoli in circolazione, la necessità di alternative al motore a combustione interna è sempre più evidente. Gran parte delle riserve di petrolio si trova in un'area politicamente instabile come il Medio Oriente; e comunque non possono durare per sempre. i pericoli per la salute costituiti da ossidi di azoto e altre sostanze rilasciate dai veicoli sono noti, e stanno aumentando le preoccupazioni per l'effetto serra causato dalle emissioni di anidride carbonica.

Nonostante le automobili stiano diventando più ecologiche ed efficienti, i benefici sono annullati dal rapido incremento del numero di veicoli, specialmente sui mercati asiatici.
Nel 1996 nel mondo circolavano circa 634 milioni di veicoli, circa il 30 per cento in più rispetto al 1986, che - secondo le stime dell'International Energy Agency - hanno emesso 3,7 miliardi di tonnellate di anidride carbonica.

Le case automobilistiche stanno escogitando sistemi per ridurre le emissioni, e le celle elettrochimiche a combustibile per motori elettrici sono ora considerate una possibilità promettente.
A differenza delle normali batterie a secco, le celle a combustibile possono funzionare finché vengono rifornite di combustibile e ossidante, o almeno finché i loro componenti non si degradano.
Molti produttori hanno in programma la realizzazione di celle a combustibile per automobili, e recenti dimostrazioni hanno attirato l'attenzione dell'opinione pubblica. DaimlerChrysler e General Motors affermano che produrranno autovetture con questo sistema di alimentazione entro il 2004; la londinese Zeveo sta progettando celle per veicoli commerciali per la città di New York.

Benché i veicoli alimentati con celle a combustibile abbiano destato interesse solo di recente, l'impiego di questi dispositivo nei trasporti risale agli anni cinquanta. Inoltre le celle hanno fornito energia per tutte le missioni spaziali con equipaggio a partire dal Progetto Gemini, iniziato nel 1965.

Scelte chimiche

Le celle a combustibile per veicoli possono impiegare varie sostanze chimiche come elettrolita (il materiale che connette gli elettrodi all'interno delle celle).
L'idrogeno fornito all'anodo - il polo negativo, in questo contesto - reagisce, liberando elettroni. La corrente che ne risulta fluisce attraverso un circuito esterno verso il catodo (polo positivo), dove gli elettroni si combinano con l'ossigeno. Il flusso di ioni attraverso l'elettrolita completa il circuito, e il solo prodotto di scarto è acqua. In linea di principio, si possono usare altri combustibili oltre all'idrogeno, ma i prodotti di reazione deteriorano il catalizzatore, riducendo la tensione in uscita e l'efficienza.
Le celle a combustibile che funzionano a temperatura abbastanza bassa per essere utilizzate su veicoli si affidano a un catalizzatore, generalmente platino, per rendere le reazioni sufficientemente rapide.

La conversione di energia chimica in energia elettrica che si produce in una cella a combustibile può, in teoria, raggiungere un alto grado di efficienza.
In pratica, la lenta reazione dell'ossigeno in corrispondenza del catodo limita l'efficienza al 45-60 per cento.
è comunque meglio dei motori a combustione interna, che possono raggiungere un'efficienza del 35 per cento in condizioni ideali, ma in realtà arrivano in media al 15.
Un motivo per cui le celle a combustibile hanno prestazioni migliori è che esse non devono girare al minimo quando il veicolo è fermo.

Altre significative perdite di efficienza sono dovute alla resistenza elettrica dell'elettrolita e alle variazioni della sua concentrazione. Questi inconvenienti si possono minimizzare con l'impiego di elettroliti fortemente acidi o alcalini.

Il primo tipo di cella usato su un veicolo (un trattore Allis-Chalmers), nel 1959, fu una cella alcalina funzionante con ossigeno e idrogeno compresso. Il problema era la necessità che le celle fossero alimentate con idrogeno non contaminato da anidride carbonica, che altrimenti reagisce con l'elettrolita formando carbonato solido.

Poiché molti progetti per sistemi di propulsione implicano la produzione di idrogeno a bordo a partire da altri combustibili (processo che genera anidride carbonica), le celle a combustibile alcaline sono state per lo più abbandonate, benché siano molto promettenti qualora sia disponibile idrogeno puro. Si possono produrre a partire da materiali poco costosi, e già negli anni ottanta si è appreso a realizzare catodi meno sensibili all'anidride carbonica. Inoltre queste celle richiedono molto meno platino rispetto a quelle a base di acidi.

Gli elettroliti acidi non sono sensibili all'anidride carbonica, ma hanno altre limitazioni. Tipicamente gli acidi richiedono acqua per condurre gli ioni idrogeno, sicché le celle devono funzionare al di sotto del punto di ebollizione dell'acqua.
Questo requisito limita l'efficienza raggiungibile. Tuttavia l'acido fosforico concentrato fa eccezione, e le celle che lo utilizzano possono funzionare a 200 gradi Celsius.
Alcuni ospedali e alberghi usano fin dai primi anni novanta celle ad acido fosforico funzionanti con aria atmosferica e combustibile ricco di idrogeno ricavato dal metano.
Celle analoghe sono anche state impiegate per alimentare bus cittadini, ma il tempo di riscaldamento di diverse ore richiesto da questi dispositivi rende improbabile il loro uso per i veicoli privati.

Siccome la maggior parte degli acidi liquidi risultano volatili o instabili, negli anni sessanta si è iniziato a sperimentare elettroliti realizzati con polimeri sintetici. Versioni recenti, come il Nafion® della DuPont, contengono gruppi acidi solforici che permettono il rapido flusso dei protoni. Con questo materiale si realizza una membrana che separa gli elettrodi. La cella a combustibile che così si ottiene, detta a membrana a scambio protonico, funziona a circa 80 gradi ed è considerata la tecnologia di punta per applicazioni in campo automobilistico. La maggior parte delle recenti realizzazioni ha impiegato celle a combustibile di questo tipo.

Le celle a membrana a scambio protonico richiedono un catalizzatore di platino, che si prepara depositando particelle di metallo del diametro di circa 10 atomi (la più piccola dimensione che si riesce a ottenere) su una superficie di fini particelle di carbonio. L'alto costo del platino è sempre stato il principale impedimento allo sviluppo commerciale di questi dispositivi. Nel 1986 ne occorrevano circa 16 grammi per chilowatt prodotto: davvero troppo per consentirne una diffusione a grande scala. Un'automobile deve poter produrre 50 chilowatt per accelerare, anche se un progetto ibrido potrebbe includere una cella a combustibile capace di fornire circa 15 chilowatt e una batteria di supporto per periodi di massima richiesta di energia.


Prezioso platino
Tra la fine degli anni ottanta e i primi anni novanta, studiosi del Los Alamos National Laboratory e del centro di ricerche alla Texas A&M University hanno fatto progressi nella riduzione della quantità di platino richiesta dalle celle a membrana a scambio protonico, e recentemente anche alcune case automobilistiche hanno fornito contributi importanti.
Il metallo usato nelle celle moderne comporta un costo pari a un trentesimo di quello del 1986. Ulteriori perfezionamenti nella struttura degli elettrodi e nel modo in cui si usa il platino potranno ancora dimezzare la quantità necessaria ma probabilmente, a meno di nuove e imprevedibili scoperte, non si potrà scendere oltre. E finora non si è trovato, alcun sostituto dei platino per realizzare gli elettrodi.
L'assemblaggio membrana-elettrodi di una cella moderna ha uno spessore di appena 2,5 millimetri. Il catodo di una cella e l'anodo di quella adiacente sono separati da una piastra che li connette in serie. Su ciascuna faccia della piastra sono situati canali di distribuzione dei gas o materiali porosi che permettono a idrogeno e ossigeno di raggiungere facilmente gli elettrodi. Le piastre possono anche contenere canali per la circolazione dell'acqua di raffreddamento.

Per costruire una sorgente di energia utilizzabile a fini pratici, una serie di assemblaggi membrana-elettrodi e di piastre è unita in una “pila”. Nel 1989 la Ballard Power Systems di Vancouver ha messo a punto una pila di 45 chilogrammi, con un volume di circa 30 litri, che ha prodotto una potenza di cinque chilowatt a partire da idrogeno e aria pressurizzata.
Anche se le prestazioni sono eccellenti, il progetto richiedeva ancora quantità di platino corrispondenti a 80 dollari per chilowatt!
Nel 1995 la Ballard ha però annunciato una pila molto migliorata, le cui prestazioni sarebbero competitive con quelle dei motori a combustione interna. Questo modello ha lo stesso peso e volume del precedente, ma ha generato 32,3 chilowatt, con un'efficienza del 54 per cento.
Varie generazioni di pile della Ballard stanno ora alimentando autobus a Vancouver e a Chicago, nonché i veicoli sperimentali della DaimlerChrysler.



Le automobili richiedono prestazioni molto migliori degli autobus. Ma i produttori statunitensi hanno individuato nelle celle a membrana a scambio protonico una delle due tecnologie che potrebbero aiutare a realizzare un'automobile a bassissimo livello di emissioni (l'altra è un ibrido che impiega un motore a combustione interna ad alta efficienza accoppiato con batterie).
L'esperienza derivata dal settore automobilistico insegna che un «motore elettrochimico» - una pila di celle a combustibile che alimentano motori elettrici - potrebbe competere economicamente con un motore a combustione interna se il costo si abbassasse sotto i 50 dollari per chilowatt.

Ciò potrebbe verificarsi a breve termine.
Ci sono due alternative.
Una, come detto, consiste nel combinare una cella a combustibile con una batteria in grado di fornire potenza supplementare. Questa combinazione rende possibile impiegare un sistema di «frenatura a recupero»: quando il veicolo rallenta i motori servono come freni che generano potenza per ricaricare la batteria. Quest'ultima può anche fornire potenza all'avvio, se il veicolo ha un sistema di produzione di idrogeno che richiede tempo per riscaldarsi.
Un simile sistema può raggiungere un'efficienza complessiva del 40 per cento; è stato installato in numerosi veicoli, tra cui autobus alimentati da celle a combustibile sperimentali ad acido fosforico.

La seconda possibilità prevede l'uso di un motore elettrochimico senza batteria supplementare né frenatura a recupero. Nei suoi autobus, la Ballard è riuscita a raggiungere un'efficienza del 50 per cento con un carico medio; sono necessarie però celle più potenti, che sono più costose. Inoltre, le riserve mondiali di platino sono limitate e il metallo serve anche per altri usi.
Se ogni anno fossero costruiti due milioni di automobili con motori elettrochimici da 50 chilowatt - il 5 per cento dell'attuale produzione automobilistica - occorrerebbero 50 tonnellate di platino, un terzo del totale che si estrae ogni anno nel mondo.

Ciò fa pensare che i veicoli alimentati solo con celle a membrana a scambio protonico non domineranno il mercato futuro.

I veicoli ibridi, che combinano una batteria e una cella a combustibile, potrebbero essere prodotti in numero maggiore, specialmente se impiegassero celle alcaline, che richiedono solo un quinto del platino usato dalle versioni con membrana a scambio protonico. La Zevco ha imboccato questa strada.




Raggiungere prestazioni di punta

Un rapporto del California Air Resources Board, stilato nel luglio 1998, ha stimato che entro il luglio 2000 i produttori di automobili avranno speso da 1 a 1,5 miliardi di dollari per le celle a membrana a scambio protonico. Tuttavia, per raggiungere una significativa diffusione in futuro, un veicolo alimentato da celle a combustibile dovrà presentare chiari vantaggi economici rispetto ai sistemi ibridi che verosimilmente verranno prodotti: il semplice fatto di avere emissioni trascurabili non sembra sufficiente.

Per migliorare l'efficienza, i produttori hanno sperimentato celle portate alla pressione di alcune atmosfere, in cui idrogeno e ossigeno diffondono e reagiscono più velocemente.
i può così ridurre il platino impiegato anche se i risparmi sono modesti e il contenitore più robusto necessario per funzionare sotto pressione appesantisce la pila.
Inoltre un funzionamento efficiente comporta che si fornisca più ossigeno, cosicché la quantità di aria da comprimere è molto maggiore di quella consumata. Dato che i compressori sono rumorosi e poco efficienti, la pressurizzazione rimane di utilità controversa.

La Ballard, tuttavia, sembra convinta della validità di questa soluzione, che permette di sfruttare l'alta pressione nelle celle per espellere l'acqua che tende a intasare i canali per i gas nel catodo. La International Fuel Cells - una joint venture di United Technologies e Toshiba - ha invece mostrato che il funzionamento a pressione ambiente può portare a celle più efficienti e leggere che utilizzano grafite permeabile, contenente pori microscopici per controllare il movimento dell'acqua.
I produttori hanno provato con successo la tolleranza degli assemblaggi elettrodo-membrana a congelamento e scongelamento a - 40 gradi Celsius, anche se l'acqua pura impiegata per raffreddare e inumidire la membrana deve prima essere asportata.

Per ridurre i costi, si sta valutando se impiegare materiali compositi più leggeri in grafite stampata-polimero e schiume metalliche resistenti alla corrosione per le piastre che collegano gli elettrodi. Il costo delle membrane - 95 dollari per chilowatt in una pila a pressione atmosferica - è un ostacolo considerevole.
Per la DuPont, i prezzi scenderebbero di 10 volte se riuscisse a vendere celle per 250 000 auto all'anno. Probabilmente questo prezzo sarebbe ancora troppo alto, sicché i costruttori stanno considerando elettroliti di composizione diversa, anche se al momento non hanno avuto successi significativi.

Perché le celle a combustibile possano essere ampiamente utilizzate sui veicoli, saranno necessari anche miglioramenti nei sistemi di bordo per immagazzinare e generare l'idrogeno. Se il gas deve essere fornito ai veicoli in forma elementare, dovrà essere approntata da zero una rete di stazioni di rifornimento.



è semplice ricavare idrogeno dal metano; inoltre il suo contenuto di energia rispetto alla benzina comporterebbe - potendo i veicoli a celle funzionare con un'efficienza più che doppia rispetto alle auto attuali - costi per chilometro davvero bassi.
Una sfida più impegnativa è costituita da come trasportare tre chilogrammi di idrogeno (il “carburante” di un'utilitaria per 500 chilometri): possono sembrare pochi, ma a pressione atmosferica occupano 36 000 litri, il volume complessivo di svariate automobili.
Un recipiente pressurizzato potrebbe trasportare idrogeno compresso, ma occuperebbe ancora 180 litri, uno spazio grande per un'autornobile. Alcuni serbatoi progettati dalla Ford, che includono materiali compositi avanzati, pesano però solo 25 chilogrammi.

Un'alternativa potrebbe essere quella di sviluppare una rete di distribuzione di idrogeno liquido. Un recipiente criogenico capace di contenere tre chilo- grammi di gas peserebbe 45 chilogrammi e occuperebbe 100 litri: molto di più della benzina, ma sempre un valore accettabile. Tuttavia la liquefazione porta a sprecare il 30 per cento dell'energia del combustibile, e l'idrogeno liquido presenta un elevato tasso di evaporazione; potreste tornare alla vostra automobile dopo averla lasciata parcheggiata per una settimana e trovarla «a secco».

Un'altra opzione è quella di combinare l'idrogeno con leghe di idruri metallici, in grado di immagazzinare idrogeno in modo reversibile fino al due per cento del loro peso.
Questi materiali sono costosi e pesanti, ma compatti: potrebbero contenere i tre chilogrammi di idrogeno in un volume di 50 litri.
Ricercatori della Northeastern University hanno annunciato nel 1998 un metodo di immagazzinamento che comporta l'assorbimento dell'idrogeno in nanofibre di carbonio a temperatura ambiente. I loro risultati richiedono conferme, ma se la capacità di immagazzinare idrogeno fosse solo la metà di quanto dichiarato, questa tecnica potrebbe ridurre a 35 litri il volume necessario per trasportare il gas.




Altri modi per fare il pieno

Anziché costruire automobili che debbano essere rifornite di idrogeno, i produttori potrebbero progettare veicoli che generano idrogeno a bordo, estraendolo da un combustibile come il metanolo o addirittura la benzina.
I veicoli dotati di questi sistemi avranno emissioni molto ridotte, ma comunque non nulle, perché le apparecchiature di bordo inevitabilmente produrranno un certo inquinamento.

DaimlerChrysler e General Motors reputano che un sistema con combustibile a base di metanolo costituisca la migliore alternativa tecnica all'idrogeno. Ma, come l'idrogeno, il metanolo richiederebbe nuovi e costosi serbatoi e pompe alle stazioni di servizio.

Il reforming necessario per produrre idrogeno dal metanolo si compie facendo reagire il combustibile con vapore a 280 gradi in presenza di un catalizzatore. Le celle ad acido fosforico sono particolarmente adatte per il reforming del metanolo grazie alla temperatura di funzionamento relativamente alta che permette di fornire vapore per la conversione. La temperatura elevata le rende anche resistenti alla contaminazione da parte delle piccole quantità di monossido di carbonio prodotte nel funzionamento.

Per tipiche celle ad acido fosforico è possibile raggiungere un'efficienza di circa il 50 per cento nel processo di produzione di elettricità dal metanolo. Negli anni novanta, la H Power di Belleville, nel New jersey, ha realizzato diversi bus sperimentali di questo tipo: non solo il loro funzionamento era silenzioso e due volte più efficiente rispetto ai veicoli con motore diesel, ma emettevano solo l'1,5 per cento di monossido di carbonio e lo 0,25 per cento di ossidi di azoto rispetto ai limiti di legge.

Il reforming del metanolo è meno facilmente accoppiabile con celle a membrana a scambio protonico, perché sarebbe necessario uno stadio di conversione catalitica per ridurre i livelli di monossido di carbonio, e anche così ci vorrebbe una gran quantità di lega platino-rutenio come catalizzatore all'anodo per prevenire l'«avvelenamento». Inoltre, parte dell'idrogeno prodotto deve essere bruciato per produrre vapore per il reforming.

Un sistema messo a punto dalla Toyota ha raggiunto un'efficienza del 37 per cento. è lecito chiedersi se valga la pena di perseguire questo obiettivo, visto che un rendimento simile si può raggiungere anche con un motore a combustione interna ibrido, e il metanolo costa circa il doppio della benzina a parità di contenuto energetico.

DaimlerChrysler e Shell stanno considerando celle a combustibile alimentate a benzina, che potrebbero utilizzare il sistema di distribuzione esistente. I veicoli sarebbero dotati di un sistema multicombustibile che potrebbe produrre idrogeno da metanolo o benzina, bruciando parte del combustibile per produrre vapore. In questo caso occorrerebbe un processo a due stadi per «ripulire» l'idrogeno.

L'Argonne National Laboratory ha sperimentato un sistema in grado di convertire benzina in idrogeno con un'efficienza del 78 per cento, ma considerando l'energia necessaria per generare il vapore e l'efficienza della cella il rendimento complessivo scenderebbe al 33 per cento. E l'avvio a bassa temperatura del sistema di trasformazione del combustibile richiede miglioramenti, anche se l'energia potrebbe essere temporaneamente fornita da una batteria.
Inoltre, lo zolfo presente nella benzina (e nell'idrogeno ricavato da essa) contaminerebbe il catalizzatore di una cella a membrana a scambio protonico. Negli impianti fissi, il combustibile viene depurato dallo zolfo prima di trasformarlo in gas ricco di idrogeno; ma al momento non è possibile sottoporre in modo economico la benzina a questo trattamento a bordo di un veicolo.




Un sistema multicombustibile può essere impiegato in un veicolo per convertire benzina o metanolo in una miscela di gas ricco di idrogeno per celle a combustibile. Il gas contenente l'idrogeno residuo, restituito dagli anodi delle celle, è bruciato per riscaldare combustibile, acqua e aria, che reagiscono sul catalizzatore ad alta temperatura. Catalizzatori aggiuntivi funzionanti a temperature via via più basse riducono la quantità di monossido di carbonio e aumentano l'idrogeno nel flusso in uscita.

Si possono ipotizzare alcune soluzioni.

Una è permettere all'idrogeno di diffondere ad alta temperatura e pressione attraverso una membrana di palladio. Un'altra idea è di produrre un combustibile sintetico privo di zolfo utilizzabile sia nei veicoli a celle sia in motori a combustione interna ad alta efficienza. Ma questo progetto solleverebbe di nuovo problemi riguardo alle infrastrutture necessarie e ai costi.





Non tutti i produttori automobilistici sono impegnati nella ricerca sulle celle a combustibile. Nel giugno 1998 la BMW ha dichiarato che preferiva orientarsi verso motori a combustione interna alimentati a idrogeno, con metano liquido come combustibile intermedio.
Ma un motore simile sarebbe meno efficiente rispetto a una cella a combustibile ottimizzata e produrrebbe una certa quantità di ossidi di azoto. Inoltre, finché l'idrogeno prodotto da fonti rinnovabili non sarà disponibile a grande scala, esso dovrà essere prodotto dal metano e quindi non potrà essere competitivo rispetto all'uso diretto di quest'ultimo come combustibile.



In futuro, assisteremo alla creazione di infrastrutture per la distribuzione di idrogeno a veicoli alimentati con celle a combustibile. Ne ricaveremo un sistema di trasporti più efficiente, una riduzione del consumo di petrolio e minori emissioni di anidride carbonica. Un sistema di distribuzione di idrogeno sarà costruito quando risulterà tecnicamente realizzabile ed economico, ma ci vorrà ancora qualche anno.



Una centrale elettrica
In passato, le celle a combustibile fisse erano colossi con potenze dell'ordine dei megawatt, progettati per le centrali di potenza; oggi stanno evolvendo verso piccoli impianti domestici e altre applicazioni a scala ridotta

Mentre oggi le distanze tra produttori e utenti dell'energia elettrica tendono spesso a crescere, la situazione fra alcuni decenni potrebbe essere opposta: in molte case l'energia non verrà fornita da centrali distanti decine, centinaia o persino migliaia di chilometri, ma piuttosto da impianti di dimensioni paragonabili a un frigorifero, situati direttamente in cantina o nel cortile. E non solo le abitazioni ma anche negozi piccole officine, alberghi, condomini e forse fabbriche potranno tutti essere alimentati nello stesso modo: mediante celle a combustibile dai 5 ai 50 chilowatt.

Aziende e laboratori di ricerca industriale in Belgio, Canada, Danimarca, Germania, Italia, Giappone, Corea e Stati Uniti stanno attuando intensi programmi di sviluppo di celle a combustibile, e almeno una parte di essi sta già vendendo i propri prodotti.
In effetti, da quasi un decennio una consociata di United Technologies offre celle a combustibile fino a 200 chilowatt. Ne sono state vendute circa 170 unità, molte delle quali sono utilizzate per la generazione sia di calore sia di elettricità per impianti industriali oppure come generatori elettrici di riserva. Sono usate sempre di più anche nei depuratori delle acque e in impianti «ecologici» costruiti per dimostrare la fattibilità di tecnologie e progetti compatibili con l'ambiente.

Al momento, l'alto costo delle celle a combustibile ha limitato il loro impiego a queste e a poche altre applicazioni specialistiche, rese possibili in gran parte grazie a generosi finanziamenti pubblici. L'elettricità prodotta dalle celle a combustibile costa attualmente almeno 3-4 volte di più, per chilowatt, di quella generata dalle ordinarie turbine a combustione alimentate a gas. Un altro inconveniente è dato dalla loro breve vita operativa; finora nessuna cella a combustibile commerciale è rimasta in attività per più di 10 anni, mentre sarebbe ragionevole aspettarsi almeno 20 anni di servizio a partire dall'installazione.

D'altra parte, le celle a combustibile presentano molte caratteristiche desiderabili: funzionano in modo relativamente pulito e silenzioso, possono utilizzare una varietà di combustibili, e in genere non sono danneggiate da temporali e altri fenomeni atmosferici. Grazie a questi vantaggi, alcuni osservatori ritengono che le celle a combustibile si riveleranno adatte a uno spettro alquanto ampio di applicazioni quando i costi per chilowatt saranno scesi a livelli più ragionevoli.

I produttori dovranno realizzare un certo numero di miglioramenti nel progetto e nel sistema di produzione prima che le celle a combustibile possano raggiungere un livello accettabile di costi e prestazioni. Gli incentivi, tuttavia, sono notevoli Col crescere delle preoccupazioni riguardo ai nocivi effetti sull'ambiente dei gas-serra emessi dalle centrali elettriche convenzionali, ci si attende un crescente impiego delle celle a combustibile per aiutare le società industriali a spostarsi verso una «economia dell'idrogeno». L'elettricità sarà fornita principalmente da celle a combustibile e altre apparecchiature basate sull'idrogeno e da celle solari, mulini a vento e altre fonti rinnovabili, che inoltre, elettrolizzeranno l'acqua per fornire idrogeno alle celle a combustibile. La transizione verso questa infrastruttura energetica fondata sull'idrogeno avrà una accelerazione nei prossimi decenni, in particolare quando le riserve di petrolio cominceranno scarseggiare.




Aggiungere combustibili per avere energia
Le celle a combustibile non sono una novità; di fatto, l'idea di base risale a più di un secolo fa. Come le batterie, anche le celle producono corrente elettrica intercettando gli elettroni che fluiscono da un reagente a un altro in una reazione elettrochimica. Una cella a combustibile consiste in un elettrodo positivo e uno negativo separati da un elettrolita, ossia un materiale che permette il passaggio di atomi dotati di carica elettrica, chiamati ioni.




Quando la cella è in funzione, idrogeno viene fornito all'elettrodo negativo e ossigeno all'elettrodo positivo. In corrispondenza dell'elettrodo negativo, un catalizzatore altamente conduttore, come il platino, sottrae un elettrone a ogni atomo di idrogeno, ionizzandolo. Lo ione idrogeno e l'elettrone seguono poi cammini separati verso l'elettrodo positivo: lo ione idrogeno migra attraverso l'elettrolita, mentre l'elettrone viaggia in un circuito esterno. Lungo il percorso, questi elettroni possono essere usati per alimentare un dispositivo elettrico come un impianto di illuminazione o un motore. All'elettrodo positivo, gli ioni idrogeno e gli elettroni si combinano con l’ossigeno formando acqua (sulle navicelle spaziali, che ricavano elettricità da celle a combustibile, l'acqua ottenuta come sottoprodotto può essere bevuta dall'equipaggio). Per generare una quantità utile di corrente elettrica, le singole celle sono «impilate», come le fette di pane nei tramezzini.

L'apparecchiatura fornisce corrente elettrica continua finché viene alimentata con idrogeno e ossigeno. L'ossigeno viene generalmente prelevato direttamente dall'aria, ma l'idrogeno di solito è fornito da un sistema chiamato reformer, che lo produce scomponendo un combustibile fossile.
Uno dei vantaggi delle celle a combustibile è la grande varietà di fonti di combustibili adatti: può essere utilizzato qualsiasi materiale ricco di idrogeno.
Tra i candidati ci sono l'ammoniaca, i combustibili fossili - metano, derivati del petrolio, propano liquido, e gas illuminante - e combustibili rinnovabili, come l'etanolo, il metanolo e le biomasse (essenzialmente da impianti solari, eolici o geotermici e ricavato persino dai rifiuti gassosi delle discariche e dagli impianti di trattamento delle acque).
I reformer rilasciano sostanze inquinanti decomponendo il combustibile per produrre idrogeno; tuttavia, rispetto a una convenzionale turbina a combustione alimentata a gas, le emissioni sono notevolmente inferiori: tipicamente da un decimo a un millesimo, a seconda della specifica sostanza inquinante e di come le emissioni vengono limitate all'uscita dalla turbina.

Poiché una cella a combustibile fornisce corrente continua, un dispositivo chiamato invertitore risulta necessario per convertirla in corrente alternata prima che l'elettricità possa avere un utilizzo pratico, domestico o commerciale.
Sia nell'invertitore sia nel reformer va persa energia, soprattutto in forma di calore. Quindi, benché le celle a combustibile possano avere efficienza superiori al 45 per cento nella conversione da combustibile a corrente elettrica, le perdite di energia nell'invertitore e nel reformer possono ridurre l'efficienza complessiva approssimativamente al 40 per cento, come le attuali turbine a combustione alimentate a gas. Così come nelle turbine a combustione, tuttavia, il recupero del calore dissipato - per esempio per riscaldare acqua o aria - aumenta l'efficienza in modo significativo.
Un diffuso malinteso riguardo alle celle a combustibile per impianti fissi è che queste debbano sempre essere molto più potenti di quelle sviluppate per alimentare le automobili.
In realtà, una cella di soli 40 o 50 chilowatt può agevolmente soddisfare le esigenze di una casa di grandi dimensioni o di un piccolo esercizio commerciale, come una lavanderia.
A confronto, dati gli alti livelli di potenza richiesti per accelerare un'automobile a pieno carico con quattro passeggeri, una cella per autoveicoli generalmente deve poter fornire almeno 50 chilowatt.
I requisiti delle celle per autoveicoli hanno spinto alcuni osservatori a ipotizzare che in futuro chi abita in campagna potrà addirittura ricavare energia semplicemente collegando la propria abitazione al motore dell'automobile.

L'equivoco sulla potenza delle celle a combustibile fisse deriva probabilmente da alcuni grandi impianti sperimentali per l'erogazione di elettricità messi a punto negli ultimi 20 anni. I più notevoli sono stati la cella a combustibile da 4,5 megawatt installata dalla Consolidated Edison a New York nel 1982, l'impianto da 4,5 megawatt messo a punto dalla Tokyo Electric Power nel 1984, l'unità da 11 megawatt della stessa azienda elettrica che ha funzionato dal 1991 al 1997 e l'impianto da due megawatt collaudato dalla Pacific Gas and Electric a Santa Clara, in California, nel 1995. Gli esperimenti americani sono stati alquanto scoraggianti; la cella situata in California settentrionale, per esempio, raramente ha generato più di un megawatt - solo metà della potenza per la quale era stata progettata - e quella di New York in realtà non ha mai funzionato. I risultati delle esperienze giapponesi, tuttavia, sono stati molto più favorevoli; l'unità da 11 megawatt, per esempio, ha funzionato per circa 23 000 ore.

Un nuovo paradigma
Anche a causa di queste difficoltà, costruttori e fautori delle celle a combustibile fisse si sono mossi verso un nuovo paradigma fondato su un maggiore decentramento. Piccoli impianti, inferiori ai 50 chilowatt, forniranno energia a singole abitazioni, e sistemi più potenti, fino a diverse centinaia di chilowatt, alimenteranno centri commerciali e altre imprese. Fonti industriali stimano che negli Stati Uniti le vendite delle celle per abitazioni e per piccole attività commerciali potranno toccare i 50 miliardi di dollari all'anno entro il 2030.

Queste valutazioni possono essere eccessivamente ottimistiche. Non ci sono al momento abitazioni monofamiliari che ottengono energia da celle a combustibile domestiche; tuttavia, tre aziende - Plug Power a Latham, nello Stato di New York, Avista Laboratories a Spokane, nello Stato di Washington e Northwest Power System a Bend, in Oregon - hanno impianti che forniscono elettricità a case private a scopo dimostrativo. La prima cella a combustibile installata stabilmente in un'abitazione negli Stati Uniti, una villetta presso Albany, nello Stato di New York, è entrata in funzione nel giugno 1998.

Si sta anche lavorando a sistemi più grandi per scopi industriali o commerciali. Almeno un'azienda spera di presentare nei prossimi anni una cella a combustibile da 500 chilowatt per applicazioni fisse, e molte altre stanno costruendo o vendendo celle da 200-250 chilowatt. Una cella da 250 chilowatt potrebbe alimentare, per esempio, diversi negozi di un centro commerciale oppure un piccolo ospedale.

Laddove siano richieste potenze più elevate, si possono collegare diversi impianti. In un edificio attualmente in costruzione al numero 4 di Times Square, a New York, al quarto piano sono state installate due celle a combustibile che forniscono acqua calda, illuminano la facciata e fungono da generatori elettrici di riserva. L'edificio è chiamato Green Building perché il suo costruttore, la Durst Organization, lo ha progettato per dare visibilità alle tecnologie considerate rispettose dell'ambiente.
In un certo numero di applicazioni recenti sono state scelte celle a combustibile perché le loro non comuni caratteristiche hanno contato più dei costi elevati. Per esempio, un'unità da 200 chilowatt è stata installata alla stazione di polizia ubicata nel Central Park di New York. L'impiego di una cella a combustibile si è dimostrato conveniente rispetto alla necessità di fare scavi nel parco per interrare i cavi elettrici. In Nebraska, la First National Bank di Omaha ha reso noto lo scorso febbraio che intende installare quattro celle da 200 chilowatt presso il suo Technology Center, dove vengono elaborate le transazioni relative alle carte di credito. La banca ha scelto le celle a combustibile, affiancate a generatori ausiliari di riserva e ai convenzionali servizi forniti dalla locale rete elettrica, perché la gestione delle carte di credito richiede una eccezionale affidabilità, risultando estremamente costosa qualsiasi, anche breve, interruzione del servizio.




Cinque tipi di celle
Naturalmente, le celle a combustibile fisse possono essere molto più grandi e pesanti di quelle mobili. Perciò questo mercato, anche se oggi è molto limitato, presenta una insolita diversità di tecnologie in corso di sviluppo o già in commercio. Ci sono cinque tipi principali di celle, ciascuna delle quali prende il nome dall'elettrolita utilizzato: ad acido fosforico, a carbonato fuso, a ossidi solidi, a membrana a scambio protonico e alcaline.

Le celle a combustibile ad acido fosforico (PAFC) costituiscono la tecnologia più matura delle cinque e la sola attualmente sul mercato per potenze superiori ai 100 chilowatt. Nel mondo, 12 enti o imprese (sette nei soli Stati Uniti) stanno commercializzando o costruendo PAFC. Una delle maggiori è la ONSI, una consociata di United Technologies, che ha iniziato a produrre questi sistemi alla fine degli anni ottanta. A tutt'oggi, l'azienda ha installato 170 unità, quasi tutte alimentate a metano. Alcune hanno funzionato per decine di migliaia di ore.

Negli Stati Uniti, molti degli acquisti di celle ONSI sono stati sovvenzionati da un programma promosso dal 1996 dal Ministero della difesa e dal Ministero dell'energia. Gli acquirenti ricevono 1000 dollari per chilowatt oppure un terzo del costo totale del progetto, a seconda di quale dei due costi risulti inferiore. Il programma ha già distribuito oltre 18 milioni di dollari ad acquirenti e installatori di più di 90 centrali elettriche basate su celle a combustibile.

Alcune grandi aziende giapponesi hanno venduto circa 120 PAFC, con potenze variabili dai 50 ai 500 chilowatt. Molte di queste unità hanno funzionato per più di 40 000 ore di esercizio.

Negli Stati Uniti e in Giappone, la maggior parte dei PAFC è stata acquistata per produrre tanto calore quanto elettricità. Più recentemente si sono creati altri cinque mercati di nicchia: discariche, impianti di depurazione delle acque, trattamento di prodotti alimentari, generazione di elettricità in situazioni dove non possono essere tollerate interruzioni (come il già menzionato Green Building a New York). Nei primi tre settori, le celle sono alimentate da gas metano che altrimenti costituirebbe un indesiderato prodotto di rifiuto; questo combustibile disponibile gratuitamente aiuta ad ammortizzare le alte spese di acquisto delle celle.

I costi delle PAFC sono ormai bloccati da anni intorno ai 4000 dollari per chilowatt: è circa tre volte più di quanto occorrerebbe per rendere le celle competitive. Questo fatto ha spinto alcuni osservatori a ritenere che questa tecnologia fosse giunta in un vicolo cieco, e la maggior parte delle industrie produttrici di celle fondate negli ultimi tre o quattro anni persegue altre tecnologie, come quella a carbonato fuso, a ossidi solidi e a membrana a scambio protonico.

Le celle a carbonato fuso (MCFC) e quelle a ossidi solidi (SOFC) hanno in comune la necessità di funzionare ad alte temperature, oltre i 650 gradi Celsius. Come suggerisce il nome, le MCFC non possono attivarsi finché il loro elettrolita non sia fuso, mentre le celle a ossidi solidi fanno affidamento sulle alte temperature per consentire un reforming interno dei combustibili e per ionizzare l'idrogeno, ovviando così alla necessità di costosi catalizzatori.

D'altra parte, si deve utilizzare il calore prodotto dalle celle stesse, riducendone un poco l'efficienza. Alcuni progettisti hanno immaginato applicazioni domestiche nelle quali il calore di queste celle non verrebbe disperso, ma catturato e utilizzato per riscaldare gli ambienti e l'acqua.

Le principali aziende statunitensi che si occupano di MCFC sono la Energy Research Corporation (ERC) di Danbury, nel Connecticut, e la M-C Power Corporation di Burr Ridge, nell'Illinois. La ERC ha costruito la centrale di due megawatt a Santa Clara, in California, menzionata prima; ha funzionato per 3000 ore, ma purtroppo solo di rado ha superato la potenza di un megawatt. Recentemente la ERC ha spostato il proprio interesse verso impianti da 250 chilowatt. La M-C Power ha presentato un'unità da 250 chilowatt a San Diego nel 1997, che però ha deluso, essendo riuscita a produrre solo 160 megawattora di elettricità prima di dover essere riparata. Circa 10 industrie giapponesi stanno anch'esse lavorando sulle MCFC.

Riguardo alle SOFC, un totale di 40 aziende nel mondo sta sviluppandone la tecnologia. Una delle maggiori si è formata nel 1998 quando la Siemens ha acquistato la Westinghouse Power Generation; entrambe le società avevano lavorato a versioni di SOFC. Altri importanti costruttori di SOFC negli Stati Uniti sono SOFCo, Ztek Corporation e McDermott.

C'è chi scommette sullo scambio protonico

Se le celle a combustibile ad acido fosforico, a carbonato fuso e a ossidi solidi sono in qualche modo vestigia del paradigma dell'impianto centralizzato, la tecnologia a membrana a scambio protonico rappresenta il metodo decentralizzato, che si sta rapidamente sviluppando. Si registra un entusiasmo crescente per le celle PEM sulla scia di recenti, significative riduzioni nei costi di produzione degli elettroliti e dell'ideazione di catalizzatori più resistenti al degrado causato dal monossido di carbonio proveniente dall'attività di reforming.

La componente chiave di una PEM è una membrana sottile, semipermeabile, che funziona da elettrolita. Le particelle cariche positivamente - come gli ioni idrogeno - possono passare attraverso questa membrana, a differenza di elettroni e atomi. Alcuni anni fa i progettisti hanno scoperto che il Gore-Tex - materiale usato spesso per indumenti sportivi - può essere utilizzato per rinforzare le membrane e migliorarne in modo significativo le caratteristiche funzionali.

Questo e altri progressi hanno dato il via a un turbine di attività intorno a questi dispositivi. Al momento, circa 85 organizzazioni, di cui 48 nei soli Stati Uniti, stanno studiando o producendo PEM. Per esempio, la Ballard Generation Systems di Burnaby, in Canada, sta lavorando a un progetto modulare di PEM che può essere configurato fino a una potenza di 250 chilowatt. L'azienda conta di iniziare la vendita delle unità da 250 chilowatt entro il 2001.

La divisione Power Systems della General Electric e la già menzionata Plug Power hanno stipulato un accordo per commercializzare, installare e fornire assistenza in tutto il mondo relativamente a PEM con potenze fino a 35 chilowatt. Questa ioint venture si propone di iniziare le prove pratiche su prototipi entro la fine di quest'anno e di installare le prime unità di formato adatto per abitazioni all'inizio del 2001. La Plug Power ha installato e messo in funzione una cella PEM da sette chilowatt nell'abitazione di due dipendenti a Lathan, nello Stato di New York.

Un'altra azienda che sta scommettendo su questo tipo di celle a combustibile è la H Power Corporation di Belleville, nel New Jersey, che offre piccole unità di potenza variabile dai 35 ai 500 watt. Oltre a promuovere le celle PEM per i consueti usi domestici, la H Power ha varato iniziative commerciali rivolte alle applicazioni nell'ambito dell'immagazzinamento di energia, nelle telecomunicazioni e nei trasporti. Con una originale strategia di mercato, ha addirittura proposto le celle a combustibile come sistema di sicurezza contro i blackout che alcuni temono possano verificarsi per problemi di software in occasione dell'anno 2000. Un altro progetto della H Power è l'installazione di celle a combustibile su 65 segnali stradali mobili per il Dipartimento dei trasporti dello Stato del New Jersey.

Alcuni degli altri produttori di PEM sono la Avista Laboratories a Spokane, nello Stato di Washington, che sta lavorando in collaborazione con la società di progettazione Black and Veatch; la Matsushita Electric Industrial Company in Giappone, che si sta concentrando su celle da 1,5 a 3 chilowatt; e la Sanyo, che ha prodotto un apparecchio basato su celle a combustibile PEM che funzionano a idrogeno compresso. La Sanyo intende inoltre sviluppare un'unità da due chilowatt che possa usare sia metano sia metanolo.

Le celle a combustibile alcaline, che hanno una storia relativamente lunga per impieghi particolari come le navette spaziali, sono interessanti perché raggiungono efficienza del 70 per cento. Finora i loro altissimi costi e altri inconvenienti le hanno relegate al di fuori dalle applicazioni non specializzate, ma alcune organizzazioni stanno tentando di produrre unità alcaline che abbiano costi competitivi con altri tipi di celle a combustibile, se non con le altre tecnologie di generazione di energia.

Speciali generatori di energia

Oltre alle sovvenzioni pubbliche, le migliori speranze per le celle a combustibile nel prossimo futuro risiederanno in quelle applicazioni per le quali l'elettricità e già costosa o in cui il gas di scarico possa essere utilizzato come combustibile. In realtà, ai costi attuali, occorrerà probabilmente una combinazione di sussidi e di circostanze particolarmente favorevoli. Per esempio, grazie a una iniziativa del Governo federale statunitense, anche gli acquirenti di impianti di celle a combustibile per uso domestico possono accedere ai fondi pubblici; in passato, le agenzie federali fornivano assistenza solo per l'acquisto di impianti dai 100 chilowatt in su. In un futuro più lontano, le preoccupazioni relative al clima globale e le conseguenti iniziative per ridurre le emissioni di anidride carbonica potranno spianare la strada a impieghi a grande scala delle celle a combustibile anche nei paesi in via di sviluppo. In uno studio presentato lo scorso anno, Robert H. Williams, del Princeton University Center for Energy and Environmental Studies, ha proposto che le celle a combustibile possano avere un ruolo importante nell'elettrificazione della Cina, i cui 1,2 miliardi di abitanti hanno uno dei più ridotti tassi di consumo pro capite di elettricità al mondo. La Cina ha grandi riserve di carbone che, come ha fatto notare Williams, potrebbe essere impiegato per produrre gas ricco di idrogeno, adatto per le celle a combustibile. La sfida consisterebbe nel «decarbonizzare» il carbone durante il processo di produzione del gas. Questa operazione produrrebbe anidride carbonica, uno dei gas maggiormente responsabili dell'effetto serra; perciò è necessario trovare un modo per catturarlo, impedendone definitivamente l'emissione nell'atmosfera.

A causa di queste considerazioni, qualsiasi impiego a grande scala di celle a combustibile in un paese in via di sviluppo dovrebbe essere rimandato di una decina d'anni. Ma nelle nazioni industrializzate miglioramenti nelle tecnologie a scambio protonico, a carbonato fuso e a ossidi solidi permetteranno nei prossimi anni alle celle a combustibile di ricavarsi nuove nicchie di mercato e di espandere quelle già occupate. In questo modo, inaugureranno un nuovo tipo di economia, basata sull'idrogeno, più compatibile con le esigenze dell'ambiente: e non sarà mai troppo presto.

Una cella a combustibile a ossidi solidi potrebbe fornire elettricità, riscaldamento e acqua calda a un'abitazioni L'impianto funziona a 800 gradi Celsius, e parte del calore necessario per mantenere questa temperatura potrebbe essere captato e diretto nelle condutture di riscaldamento della casa (in arancione) e nel serbatoio pi l'acqua calda (in rosso). Questo impianto, che dovrebbe produrre fino a 10 chilowatt di elettricità, è stato pr< gettato dalla Hydrogen Bumer Technology di Long Beach, in California, che conta di iniziarne la commerciali: zazione intorno al 2003.




Nuove batterie per l’elettronica portatile
Le batterie sono ingombranti e costose. Celle a combustibile miniaturizzate potrebbero soppiantarle nei telefoni cellulari, nei computer portatili e in altri prodotti di consumo



Negli ultimi anni si sono fatti registrare enormi progressi negli apparecchi elettronici portatili, ma le batterie sono cambiate ben poco; eppure restano l'unica opzione possibile per prodotti di consumo che richiedono una potenza fino a 20 watt, dai giocattoli ai computer portatili. Le batterie possono essere pesanti e costose e si esauriscono senza preavviso, il che ne implica la sostituzione (che comporta problemi di smaltimento) o la ricarica (che richiede ore di tempo prezioso). Non esistono alternative migliori?

Per ironia, la risposta può giungere da un'invenzione del secolo scorso: le celle a combustibile. Teoricamente questa tecnologia presenta la stessa semplicità d'uso delle batterie. conversione silenziosa e pulita di energia chimica in corrente elettrica. Ma il vero vantaggio delle celle a combustibile sta nella loro capacità di liberare energia a partire dall'atomo di idrogeno. Una cella a combustibile funzionante a metanolo potrebbe fornire energia 20 volte più a lungo delle tradizionali batterie a nichel-cadmio, con un ingombro analogo ma a costo inferiore e con un peso minimo. Un altro vantaggio sta nel fatto che le celle a combustibile non richiedono una lunga ricarica; possono essere riempite velocemente, semplicemente aggiungendo altro combustibile.

Nel passato, le ricerche si sono concentrate soprattutto sulle celle a combustibile per automobili. Ma la tecnologia dei motori a combustione interna, affinata per decenni, si è dimostrata difficile da superare. Una maggiore arca di opportunità può aprirsi con applicazioni più piccole, dove il principale concorrente sono le batterie. In effetti, i recenti tentativi di miniaturizzare le celle a combustibile potrebbero portare a sostanziali miglioramenti, prefigurando telefoni cellulari in grado di funzionare continuativamente per mesi e computer portatili con più di 100 ore di autonomia grazie a una singola cella compatta. Via via che le dimensioni delle celle a combustibile si riducono, però, i problemi progettuali si fanno più acuti. La miniaturizzazione comporta un equilibrio delicato di diversi fattori, come potenza, dimensioni, praticità e costi.




Prodezze dell’elettrochimica


In realtà, celle a combustibile e batterie presentano più somiglianze che differenze. Entrambe si affìdano all'elettrochimica per convertire in corrente elettrica l'energia chimica contenuta in un certo materiale. In una tipica cella a combustibile, il processo si avvia con l'aiuto di un catalizzatore che facilita il distacco di elettroni dalle molecole del combustibile, con formazione di ioni carichi positivamente. Gli elettroni passano da un elettrodo all'altro attraverso un circuito esterno, mentre gli ioni fluiscono attraverso un materiale, l'elettrolita, che è situato tra i due elettrodi. Le due correnti parallele di elettroni (negativi) e ioni (positivi) si compensano l'una con l'altra, mantenendo bilanciata la carica totale. L'estrazione diretta di elettroni per generare energia elettrica per via chimica è un processo silenzioso, semplice e pulito che può avvenire a temperatura relativamente bassa; la sua efficienza può superare di tre volte quella di un sistema alimentato da un piccolo motore a combustione interna.

L'energia che una cella a combustibile o una batteria possono generare è correlata alla differenza di potenziale tra i due elettrodi, che a sua volta dipende dalle proprietà energetiche dei materiali utilizzati. In una cella a combustibile standard, atomi di idrogeno (il combustibile) cedono i loro elettroni in corrispondenza di un elettrodo (l’anodo) e quindi si combinano con elettroni e ossigeno (l’agente ossidante) all’altro elettrodo (il catodo). L’acqua è il solo prodotto chimico risultante da questo processo, e gli elettrodi rimangono inalterati. Nel caso delle batterie, gli elettrodi stessi sono il materiale che partecipa alla reazione chimica.

Nelle batterie compatte al litio progettate per gli apparecchi elettronici portatili, le tensioni utilizzate non eccedono i tre o quattro volt. I combustibili a base di idrogeno non sviluppano molto più di un volt, ma grazie al loro minor peso e volume possono, a parità di ingombro, avere un contenuto energetico sostanzialmente più elevato.

A confronto con le batterie
In realtà, quando si paragonano le celle a combustibile con le batterie, il fattore più importante non è l'efficienza di base, poiché entrambe riescono in modo eccellente a convertire l'energia chimica in corrente elettrica. Le celle a combustibile, tuttavia, hanno un naturale vantaggio nel fatto di poter utilizzare combustibili ricchi di energia contenenti idrogeno. A parità di peso, l'idrogeno liquido puro contiene circa 800 volte più energia elettrochimica del nichel-cadmio. Il problema è che l'idrogeno liquido deve essere mantenuto a temperature inferiori a -250 gradi Celsius, rendendo questa sostanza chiaramente inutilizzabile per prodotti di consumo.

Ma anche i composti contenenti idrogeno sono di notevole interesse. Teoricamente, un solo litro di metanolo potrebbe fornire circa 5000 wattora, sufficienti a un computer portatile per funzionare in continuazione per oltre una settimana. Un volume paragonabile di ioni litio - usati nelle celle a combustibile miniaturizzate per telefoni cellulari occupano uno spazio analogo alle comuni batterie ricaricabili. Questa compatta fonte di energia contiene una pila di celle fabbricate su due sottili piastre. Le singole celle sono formate da diversi strati che vengono prodotti in modo simile ai circuiti elettronici e ai chip. La Manhattan Scientifics intende costruire un prototipo di questo tipo di dispositivo entro la fine di quest'anno.




Per la Fiat progetti ancora al vaglio

Sarà quasi certamente la Multipla il modello prescelto dalla FIAT per le dimostrazioni di veicoli alimentati da celle a combustibile che dovrebbero essere realizzati entro il 2001.





La casa automobilistica di Torino si occupa di celle a combustile per la generazione elettrica sin dalla metà degli anni settanta, quando avviò un programma di ricerca e sviluppo realizzando celle a combustibile alcaline con elettrolita liquido e alimentate con gas puri. Gli anni successivi, però, furono quelli della grande crisi del settore automobilistico e, valutando che l'investimento nello sviluppo di motori a celle a combustibile avrebbe avuto un orizzonte applicativo di lunghissimo termine, la FIAT decise di abbandonare, almeno temporaneamente, gli investimenti in questo settore.



Oggi, dati i promettenti risultati delle celle a combustibile a membrana polimerica, FIAT ha rispolverato un certo interesse verso questa tecnologia, sulla quale ha disposto finanziamenti per 6 miliardi nel triennio 1998-2000.
La scelta aziendale è orientata alla valutazione dei componenti e dei sistemi più avanzati, tramite contatti con i maggiori sviluppatori di celle a combustibile, nonché alla selezione della configurazione più idonea, che prevede il vaglio dei diversi combustibili liquidi e gassosi con o senza processo di reforming per la produzione di idrogeno.
In particolare, per l'appuntamento del 2001 che l'azienda ha fissato per la presentazione di veicoli dimostrativi, si sta valutando l'opportunità di mettere a punto un mezzo a trazione puramente elettrica o ibrida/elettrica.



A più lungo termine, la FIAT sta collaborando con CNR, ENEA, ENEL, ENI e SNAM alle attività promosse dal Consorzio di ricerca per i veicoli a minimo impatto ambientale, nel cui ambito sono allo studio le tecnologie più promettenti per limitare il danno ambientale prodotto dagli autoveicoli. Obiettivo della casa automobilistica torinese è la selezione dei progetti più significativi, dei quali verranno anche valutate le oggettive possibilità di produzione su scala industriale.




Conclusioni
La tecnologia delle FC è caratterizzata da una forte competizione e da una grande interdisciplinarietà, sia nel settore della generazione di energia elettrica che nel settore trasporti. E' comunque evidente che nel campo delle FC ad alta temperatura (MCFC e SOFC) la tendenza è quella di utilizzare qualsiasi tipo di combustibile direttamente in cella, allo scopo di ottenere sistemi meno complessi, mantenendo le caratteristiche di basso impatto ambientale.
La taglia ideale sembra essere quella compresa tra qualche centinaio di kW e poche decine di MW, con possibile cogenerazione termica per utenze industriali, in modo da poter concorrere con le turbine a gas i cui costi sono attualmente molto più competitivi soprattutto per potenze maggiori. Tuttavia la commercializzazione di queste FC non sembra essere un processo a breve termine dati gli elevati costi.

Nel settore delle FC a "bassa temperatura", sono due le direzioni che sembrano avere sbocchi nel breve termine; la prima è senz'altro quella dell'autotrazione, trascinata dalle pressanti esigenze di riduzione dei livelli di inquinamento del settore e dalla possibilità che, un'auto elettrica a cella combustibile possa essere più convenientemente accettata di una a batterie ponendosi come soluzione tecnica accettabile da tutti gli attori: dalle case automobilistiche alle compagnie petrolifere, dagli utilizzatori ai ministri dell'ambiente.
L'altra è quella della cogenerazione per utenze domestiche alimentate a metano, che potrebbe raccogliere i frutti dell'impegno operato nella riduzione dei costi delle PEFC da utilizzare nell'autotrazione, per raggiungere una competitività anche nel breve termine.
Per quanto riguarda l'attività di ricerca questa ha ancora molto da offrire non solo nel tentativo di raggiungere gli obiettivi posti per ciascuna tecnologia ma soprattutto per traguardare a nuove e più ambiziose soluzioni di cui le DMFC costituiscono oggi solo il primo passo.

[Dragonball (POL)]

Tutte le fonti di energia rinnovabile permettono di ottenere idrogeno, seguendo percorsi simili o alternativi, in genere la maggiore convenienza si ha laddove il percorso ha meno passaggi.



Attuali sistemi per la produzione di idrogeno



Steam reforming del metano (SMR)
Oggi l'idrogeno è prodotto per l'industria chimica, utilizzando il processo di steam reforming (trasformazione con vapore) che si effettua, partendo da gas metano o da frazioni leggere di petrolio, con vapore d'acqua in presenza di un catalizzatore (generalmente nichel) alla temperatura di 800 °C. Il gas risultante contiene anche monossido di carbonio che, reagendo con il vapore, si trasforma in biossido di carbonio (anidride carbonica).

Con questo sistema attualmente si produce il 48% dell' idrogeno (circa 240 miliardi di metri cubi all'anno a livello mondiale)



Sorbtion Enhanced Reforming (SER)

Una evoluzione dello Steam reforming , consente di ottenere idrogeno estremamente puro con temperature di reazione particolarmente basse, per cui il processo è più economico.



Gassificazione
L'idrogeno si produce facendo reagire a 900 °C il vapor d'acqua con carbone coke e poi, a 500 °C, con un catalizzatore a base di ossidi di ferro; il gas risultante, formato da idrogeno e monossido di carbonio, era un tempo utilizzato come gas di città.



Cracking

Consiste nella rottura della molecola del metano mediante sistemi termici. Produce carbone e non CO. Non è tra i sistemi più efficenti.



Ossidazione parziale
Permette di ottenere idrogeno da idrocarburi pesanti come la nafta, è poco efficiente ed è necessario usare ossigeno puro.



Elettrolisi dell' acqua

Attualmente è l'unico metodo per ottenere idrogeno (e ossigeno) dall'acqua

Consiste nell'introdurre nell'acqua un anodo e un catodo e stabilire una differenza di potenziale affinche' avvenga la separazione dell'idrogeno dall'ossigeno.Gli elettrolizzatori in commercio ottengono un metro cubo di idrogeno con 3,7 Kw di energia elettrica
E' un metodo con una efficienza elevata e produce idrogeno con un alto grado di purezza. E' un processo che potrebbe permettere il recupero dell'energia elettrica non prodotta dalle centrali idroelettriche ( sopratutto ad acqua fluente) nelle ore notturne e di quella scaricata a terra dalle centrali termoelettriche sempre nelle ore notturne, in assieme il potenziale di energia elettrica recuperabile con l'elettrolisi è di circa 50.000 Mw al giorno (notte). In questo caso l'idrogeno potrebbe essere considerato una fonte di energia ( a differenza dei processi derivanti da combustibili fossili nel quale l'idrogeno è solo un diverso vettore di energia) che rientra in quella fonte di energia rinnovabile detta "recupero e risparmio energetico". Da tener presente che per elettrolisi dell'acqua si ottiene anche ossigeno, elemento che ha un elevato valore economico...e non solo...

Attualmente per elettrolisi si produce circa il 4% dell' idrogeno ( 20 miliardi di metri cubi all'anno)



Distillazione secca di biomasse

Come la gassificazione, anche la pirolisi, o distillazione secca, è un processo che per mezzo della decomposizione termica, spezza le molecole complesse delle sostanze organiche in elementi semplici, separati. Essa consiste nel riscaldare la sostanza a 900-1000 °C, in assenza di aria, in opportuni impianti, con ottenimento di sostanze volatili e di un residuo solido.










Sistemi e progetti sperimentali per la produzione di idrogeno



Termoelettrolisi

Applicando l'elettrolisi su vapore ad alta temperatura ( 900/1000 °C) si ottiene idrogeno con circa 2,4 Kw per metro cubo. Comunque si ha una maggiore efficienza elettrolitica in rapporto direttamente proporzionale alla temperatura: a 15/20 °C per scindere l'acqua l' 83% dell'energia di reazione deve essere energia elettrica, mentre a 1000°C tale quota scende al 65%. Il vapore ad alta temperatura potrebbe essere ricavato, ad esempio, da soffioni geotermici, da centrali termosolari a concentrazione o dal vapore residuo dell' "Amplificatore di Energia" (Reattore Rubbia).



Tecniche biochimiche

Alcuni ricercatori stanno sperimentando la produzione di idrogeno dai "rifiuti umidi" o da acque di scarico di processi alimentari tramite bioreattori anaerobici. E' una tecnologia promettente anche se allo stato sperimentale, ricercatori impegnati in vari progetti ritengono di poter arrivare a sistemi commerciali in tempi medio/brevi.



Tecniche Fotobiologiche

Consiste nell' utilizzo di energia solare abbinata a sistemi biologici, come alghe, microrganismi ingegnerizzati, rifiuti organici. In particolare, gli studi sono rivolti all'ingegneria genetica per ottimizzare la produzione di idrogeno da parte di microrganismi fotosintetici. Molto attivi in questo campo sono i laboratori dell'ENIRicerche, grazie agli studi effettuati, nel centro di San Donato Milanese, sul Pyrococcus furiosus, un batterio resistente a temperature elevate e, considerato molto promettente.



Tecniche Fotoelettrochimiche

Consiste nell' utilizzo di sistemi catalizzatori o semiconduttori che associati all'azione della luce solare sarebbero in grado di scindere le molecole d'acqua

Agli inizi degli anni settanta due ricercatori giapponesi, Fujishima e Honda, hanno brevettato un procedimento di fotoelettrolisi, basato sul biossido di titanio, o rutilo, come fotoelettrodo, che ha dato inizio a numerose ricerche, non ancora sfociate nella realizzazione di un impianto.



Termolisi

Consiste nel dissociare le molecole di acqua tramite solo apporto di calore che richiede temperature molto elevate, circa 3000 °C. Sono però notevoli i problemi relativi alla gestione di temperature tanto elevate.



Fotolisi

La scissione dell'acqua si potrebbe realizzare anche per fotolisi, sfruttando cioè solamente la radiazione solare luminosa.
I ricercatori che perseguono questo metodo sono ancora lontani, anche concettualmente, dalla soluzione.

[Dragonball (POL)]

Obiezioni al progetto idrogeno


Palm Harbor, Florida, 30 Agosto 2003

PROBLEMI ECOLOGICI CAUSATI DALLA PRODUZIONE, IMMAGAZZINAGGIO E COMBUSTIONE DELL'IDROGENO NON ANCORA DISCUSSI NELLA STAMPA ITALIANA
Ruggero Maria Santilli
Presidente
Institute for Basic Research
P. O. Box 1477, Palm Harbor, FL 34682, U.S.A.
Tel. +1-727-934, Fax +1-727-934 9275,
indirizzo elettronico ibr@gte.net
CV: http://www.i-b-r.org/santilli.htm

Caro Editore,

Parenti ed amici italiani mi hanno cortesemente inviato copie di vari articoli apparsi recentemente sull'idrogeno nella stampa italiana, molti di essi scritti da penne illustri, come il Premio Nobel Carlo Rubbia (che fu mio collega nel 1978, quando eravamo entrambi all'Università di Harvard) pubblicato nel Corriere Sera del 30 luglio scorso. Sapendo che ho fatto ricerche nel settore per molti anni, hanno quindi chiesto il mio parere sulle implicazioni ecologiche nell'uso dell'idrogeno su larga scala.

L'attuale tendenza mondiale verso la "new hydrogen era" ("nuova era dell'idrogeno") e' nata dalla idealizzazione della separazione elettrolitica dell'acqua usando elettricita' ecologicamente pulita, il trattenimento dell'idrogeno per uso come carburante ed il rilascio dell'ossigeno nell'atmosfera terrestre (onde evitare la diminuzione di ossigeno respirabile discussa di sotto), sotto le quali condizioni l'idrogeno e' infatti il carburante piu' pulito disponibile all'uomo.

I problemi ecologici dell'idrogeno sono causati dal fatto che la realta' nella sua produzione, immagazzinaggio ed uso e' immensamente lontana da questa idealizzazione.

Alcuni aspetti problematici di fondo li ho trovati ben presentati negli articoli ricevuti, per esempio il fatto che il solo esame ecologico dei fumi di scarico oggigiorno non e' piu' accettabile (e viene chiamato qui negli USA un "approccio del millennio scorso"), perche' esami ecologici seri oggi richiedono necessariamente uno studio "globale", ossia includente l'inquinamento causato dalla produzione, l'immagazzinaggio, il trasporto, ed, alla fine, la combustione di qualunque carburante, ivi incluso l'idrogeno.

Problemi ecologici causati dalla produzione dell'idrogeno. Le centrali elettriche ecologicamente accettabili, come quelle solari, eoliche oppure idriche, sono note essere assolutamente insufficienti per una produzione su grande scala, ossia paragonabile a quella della benzina, come considerato dalla "new hydrogen era". Ne consegue che, su detta base globale, l'uso dell'idrogeno prodotto da centrali usanti carburanti fossili, come in uso oggi e nell'immediato futuro, e' molto piu' inquinante della benzina, perche' il petrolio emerge naturalmente dalla terra e la sua raffinazione in benzina e' essenzialmente un processo chimico richiedenti uso minimo di elettricita', mentre l'idrogeno va sintetizzato in impianti industriali richiedenti elettricita'.

Quando quest'ultima e' prodotta da centrali elettriche usanti carburanti fossili, e' chiaro a tutti che, a parita' di prestazioni ed uso, e quindi a parita' di energia usata, un auto funzionante ad idrogeno, anche se emette nei fumi di scarico solo vapore d'acqua, e' "globalmente" molto piu' inquinante di un auto funzionante a benzina in un rapporto che e' stato stimato da tecnici essere dell'ordine di 10 ad 1 se la centrale elettrica funziona a metano, e di circa 40-50 ad 1 se la centrale elettrica funziona a petrolio oppure a carbone.

Il problema fondamentale per rendere la "new hydrogen era" una realta' accettabile e' quindi la ricerca e sviluppo di sorgenti energetiche pulite "veramente nuove", ossia al di la' degli schemi scientifici anche essi ormai del "millennio scorso", problema che e' quello centrale della fisica odierna, e per la cui soluzione futura il nostro gruppo ha dovuto costruire nell'arco di due decenni una meccanica nuova che contiene quella quantistica come caso particolare (chiamata "meccanica adronica" [1]), dal momento che nessuna sorgente energetica prevista dalla meccanica quantistica permette la produzione ecologicamente accettabile dell'idrogeno. Si esclude qui l'uso di centrali nucleari permesse dalla meccanica quantistica per motivi ecologici ben noti, ma si ammettono le centrali aneutroniche del futuro [1] previste dalla meccanica adronica.

Il piu' grande problema ecologico dell'idrogeno: "oxygen depletion. Nonostante eccellenti presentazioni, non ho visto trattato fino ad oggi nella stampa italiana il problema ecologico piu' grande nell'uso a grande scala dell'idrogeno, che e' chiamato "oxygen depletion" e consiste nella rimozione in forma permanente di ossigeno respirabile dalla nostra atmosfera a causa della combustione, problema che identificai al congresso mondiale sull'idrogeno a Monaco nel 2000 [2].

Come e' ben noto, quando la benzina brucia produce CO2 il quale viene riciclato dalla piante mediante il ciclo della clorofilla in cui le piante assorbono l'anidride carbonica, trattengono il carbonio e rilasciano di ossigeno respirabile. Per questo oggi l'umanita' e' ancora in vita sulla Terra. In paragone, la combustione dell'idrogeno produce H2O che viene anche assorbito dalle piante ma mediante altri processi che non rilasciano ossigeno respirabile in misura apprezzabile [2], causando così la "oxygen depletion".

Dati statistici del Dipartimento dell'Energia USA. Per capire il problema nelle sue dimensioni reali, sono necessari dei dati statistici che non ho visto ancora nella stampa italiana fino ad oggi. Secondo statistiche ufficiali del Dipartimento dell'Energia americano, oggigiorno circolano sulla Terra circa un miliardo di auto, milioni di trasporti pesanti, centinaia di migliaia di aerei, oltre ad un numero sconosciuto di veicoli agricoli e militari, i quali consumano circa 60 milioni di barili di petrolio al giorno, corrispondenti al consumo giornaliero di circa otto miliardi di litri di benzina. Da notare, come chiarito dallo stesso Dipartimento dell'Energia, che questi dati escludono i consumi addizionale del metano e carbone, i quali consumi sono stimati essere almeno pari a quelli della benzina. Ne consegue quindi che tutti i dati ecologici seguenti vanno almeno raddoppiati per avere dati reali.

E' facile calcolare dalla combustione giornaliera di otto miliardi di litri di benzina la produzione di circa 30 milioni di tonnellate di CO2 al giorno, corrispondenti alla rimozione di circa 20 milioni di tonnellate di O2 al giorno [2]. E' chiaro che, con consumi giornalieri di queste dimensioni, tutta la vita sulla Terra sarebbe gia' finita da tempo senza il ciclo della clorofilla. Il problema ecologico massimo della societa' umana e' che, da una parte abbiamo un aumento incredibile nell'uso di carburanti fossili, mentre dall'altra parte le foreste stanno diminuendo rapidamente, per cui la Terra non e' ormai piu' in grado di riciclare tutta l'anidride carbonica prodotta nella combustione di carburanti fossili.

Effetto serra: prova inconfutabile della "oxygen depletion". Lo sbilancio su indicato e' all'origine dell'effetto serra noto a tutti. Infatti, secondo varie misure di laboratorio che peraltro tutti possono ripetere mediante l'acquisto di un misuratore di CO2, oggi abbiamo nella nostra atmosfera oltre 30 volte la quantita' di CO2 presente all'inizio del secolo scorso. Quello che non ho visto nella stampa italiana e' il fatto che l"O2" del "CO2" era originariamente ossigeno respirabile. Quindi, la vera presenza dell'effetto serra e' evidenza schiacciante della "oxygen depletion".

Secondo misure condotte da vari laboratori, che peraltro possono essere ripetute da tutti mediante l'acquisto di un semplice misuratore di ossigeno, in un secolo abbiamo rimosso in forma permanente dall'atmosfera terrestre circa il 5% dell'ossigeno esistente all'inizio del secolo scorso. Inoltre, varie stime sulla percentuale di CO2 che non e' riciclata dalle piante indicano la rimozione permanente dalla Terra di circa 7-10 tonnellate di ossigeno al giorno. Da notare l'enfasi sull'aspetto "permanente" della "oxygen depletion" causata dal costo proibitivo della separazione del CO2 per il ripristino di ossigeno respirabile nel pianeta.

Paragoni senza politica tra idrogeno e bensina. Quando si passa ad uno studio comparativo sulla combustione della benzina e dell'idrogeno, la "oxygen depletion" di quest'ultimo e' veramente preoccupante, di nuovo, per il fatto che il vapore d'acqua prodotto dalla sua combustione non e' riciclato dalle piante in ossigeno respirabile, per cui si tratta di una "oxygen depletion" anche permanente (anche perche' la separazione dell'acqua per ripristinare l'ossigeno avrebbe un costo proibitivo). Finche' l'idrogeno e' usato come combustibile in misura limitata, il problema e' ignorabile (il problema e' anche assente per l'uso dell'idrogeno nei cibi, fertilizzanti e prodotti chimici). Il problema della "oxygen depletion" emerge in tutta la sua gravita' per la "new hydrogen era" in vista della prevista grande produzione e combustione dell'idrogeno senza nessuna considerazione dell'inquinamento causato nella produzione e la "oxygen depletion" causata dalla sua combustione.

Perche' l'uso massiccio dell'idrogeno secondo metodi di produzione attuali puo' implicare la fine della vita sulla Terra a causa della "oxygen depletion." Il punto che mi ha spinto a scrivere questa nota e' che l'ossigeno e' alla vera base della nostra vita. Ne consegue che nessun programma per il grande uso dell'idrogeno come carburante, sia esso per motori a combustione interna oppure per celle, dovrebbe essere formulato senza una considerazione seria della "oxygen depletion". Qualora tutto il consumo della benzina sulla terra fosse rimpiazzato dall'idrogeno, avremmo la rimozione di almeno trenta milioni tonnellate di ossigeno respirabile al giorno, la quale ridurrebbe l'ossigeno terreste del 10% in cinque anni, implicando allora una epidemia di problemi cardiaci, e nel giro di 30 anni la Terra non sarebbe piu' abitabile. Per questo attivisti a Washington ed a Berlino stanno gia' considerando cause per miliardi di dollari verso qualunque uso massiccio di idrogeno inquinante, cause tali da far impallidire le azioni legali mosse contro l'industria del tabacco.

Gli inquinamenti molto piu' grandi della benzina causati dalla produzione dell'idrogeno mediante riformazione dei carburanti fossili. Ci sono anche altri problemi ecologici molto seri causati dall'idrogeno. Un altro problema che non ho visto trattato nella stampa italiana e' il fatto che la massima produzione dell'idrogeno e' oggi fatta mediante metodi di riformazione di carburanti fossili, come il metano. Il solo concetto di trasformare carburanti fossili in idrogeno implica una moltiplicazione dell'inquinamento atmosferico a causa della evidente inefficienza energetica di tutte queste conversioni.

In particolare, questo tipo di produzione dell'idrogeno usa l'ossigeno atmosferico per la rimozione del carbonio dai carburanti fossili, rilasciando cosi' nell'atmosfera terrestre, circa tre volte il CO2 causato dalla combustione diretta del carburante fossile. Se si ha un qualunque senso civico, la produzione dell'idrogeno mediante metodi di riformazione di carburanti fossili dovrebbe essere proibita dalla legge, come certamente lo sara', ma purtroppo solo quando i recenti episodi climatici gia' catastrofici, come la morte di oltre 10.000 persone questa estate in Europa per il caldo, diverranno cataclismici.

La minaccia causata dall'idrogeno per lo strato di ozono. Un altro problema gravissimo dell'idrogeno e' la sua riduzione dello strato dell'ozono nell'alta atmosfera nel caso esso venga rilasciato in grandi quantita' a causa di incidenti o altro. Il motivo e' noto anche a studenti liceali. Una volta rilasciato nell'atmosfera, l'idrogeno sale rapidamente ad alte quote data la sua grande leggerezza e dal momento che la sua combustione con l'ossigeno terrestre richiede una attivazione (come una scarica elettrica oppure una fiamma), raggiungendo così lo strato dell'ozono il quale, al contrario dell'ossigeno, reagisce con estrema rapidita' con l'idrogeno senza bisogno di una scarica elettrica rilasciando vapore d'acqua ed ossigeno (H2 + O3 => H2O + O2). Questo problema non esiste nella stessa misura per i carburanti fossili dal momento che il loro idrogeno e' parte della molecola di idrocarburo e quindi non e' libero di reagire con l'ozono.

Implicazioni ecologiche per l'impossibilita' di usare l'idrogeno nei motori esistenti. Un altro grande problema ecologico dell'idrogeno e' causato dal fatto che esso non e' usabile nei motori di automobili attuali. Ne consegue quindi che, anche assumendo l'avvio immediato industriale a grande scala nell'uso dell'idrogeno, ed ignorando tutti i problemi ecologici precedenti, questo uso lascerebbe completamente immutato il deterioramento ulteriore ormai esponenziale dei problemi ecologici causati dalla benzina, per il motivo indicato che l'idrogeno non e' usabile nel miliardo o piu' di auto in giro oggi per la Terra (l'idrogeno causa nei motori a benzina esplosioni tipo "back fire" dovute alla sua grande velocita' di fiamma). Quindi, nel caso di grande uso dell'idrogeno, tutti i veicoli attualmente esistenti continuerebbero ad usare la benzina, come dimostrato dalle auto BMW funzionanti ad idrogeno le quali, dopo aver fallito tutti i tentativi di uso con motori a benzina, sono state costrette ad usare motori speciali.

Il costo proibitivo dell'idrogeno. Un altro aspetto che non ho visto trattato nella stampa italiana e' il costo dell'idrogeno. Un gallone di benzina contiene circa 110.000 unita' termiche inglesi ("British Thermal Units", BTU) corrispondenti a circa 30.000 BTU per litro (1 g = 3.7 l). L'idrogeno contiene circa 300 BTU per piede cubo, corrispondenti a circa 10 BTU per litro di idrogeno a pressione atmosferica (1 cf = 28,312 litri). Quindi ci vogliono circa 3,000 litri di idrogeno per avere l'equivalente energetico di un litro di benzina. L'idrogeno oggi costa circa 15 centesimi di euro per piede cubo, corrispondenti a circa 5 millesimi di euro al litro, implicando così il costo di circa 15 euro al "litro equivalente di benzina in idrogeno", ossia un costo assolutamente proibitivo. Le centrali piu' grandi attualmente in programma in Europa e negli USA per la produzione di idrogeno su grande scala prevedono una riduzione notevole del costo di produzione. Ciononostante, e' bene chiarire con chiarezza che tutte le persone a favore dell'uso dell'idrogeno come carburante automobilistico secondo le tecnologie attuali debbano essere pronte a pagare l'equivalente in di un litro di benzina in idrogeno cinque volte il costo attuale della benzina.

La necessita' della liquefazione criogenica con consequente moltiplicazione dei costi. Ancora un altro problema dell'idrogeno per uso automobilistico e' dato dal volume di idrogeno necessario per un rifornimento normale. Abbiamo visto che ci vogliono 3.000 litri di idrogeno per avere l'equivalente di un litro di benzina. Quindi, l'equivalente di un pieno di 50 litri di benzina richiederebbe 150.000 litri di idrogeno, ossia un volume che e' assolutamente al di la' di valori pratici, dal momento che un auto richiederebbe un rimorchio per il solo serbatoio dell'idrogeno, mentre l'uso di altissime pressioni non e' assolutamente raccomandabili, prima di tutto per motivi di sicurezza, ma anche per il fenomeno di "hydrogen seapage" (perdita dell'idrogeno attraverso le pareti a causa delle dimensioni piccolissime della sua molecola).

Per questo la BMW e' stata costretta ad usare idrogeno liquido nelle sue auto. Il problema e' che l'idrogeno liquefa praticamente allo zero assoluto. Una tale liquefazione, piu' il mantenimento continuo dello stesso anche quando l'auto non e' usata (onde evitare esplosioni dovute al passaggio di stato da liquido a vapore ...) implicano un aumento assolutamente proibitivo di un costo dell'idrogeno gia' proibitivo prima della liquefazione stessa.

Le mie ricerche per la futura risoluzione dei problemi suddetti. A questo punto il lettore puo' aver avuto l'impressione che io sia contrario al grande uso dell'idrogeno come carburante, mentre la verita' e' l'opposto dal momento che ho dedicato anni di ricerche proprio a favore della "new hydrogen era", con particolare riguardo a nuovi metodi di produzione che ne riducono il costo in maniera veramente sostanziale [3] mentre evitano la "oxigen depletion". Ho anche studiato la sintetizzazione di un tipo di "idrogeno pesante" richiedente per un pieno essenzialmente lo stesso spazio di un serbatoio di benzina [4].

Si tratta di una questione, diciamo, di filosofia della ricerca, oppure piu' apertamen te di etica scientifica e sociale. Il mio punto di vista e' che i nostri problemi ecologici, gia' gravissimi, si moltiplicano, invece di ridursi, col silenzio. Ritengo quindi un dovere di identificare tutti i problemi ecologici dell'idrogeno in una maniera la piu' chiara ed accurata possibile, perche' questa identificazione e' la premessa necessaria per la loro risoluzione.

In realta' ritengo che lo studio scientificamente, politicamente ed industrialmente serio dell'idrogeno potra' stimolare la piu' grande rivoluzione scientifica, sociale ed industriale dell'inizio del terzo millennio, data dallo sviluppo di centrali elettriche usanti energie assolutamente nuove ed assolutamente pulite, il cui studio e' gia' in fase avanzata [1,5].

Ringraziando il lettore per l'attenzione, auguro la partecipazione di tutti per un futuro ambientale migliore

REFERENZE

[1] R. M. Santilli, "Foundations of Hadronic Chemistry with Applications to New Clean Energies and Fuels," Kluwer Academic Publishers Boston-Dordrecht-London 2001, ISBN 1-4020-0087-1.

[2] http://www.magnegas.com/technology/part6.htm

[3] Vedasi il sito in inglese http://www.magnegas.com/technology/part5.htm con traduzione parziale in italiano nel sito http://www.magnegas.com/europe/italiano/index.htm

[4] R. M. Santilli, Intern. J. Hydrogen Energy, Vol. 28, p. 177 (2003), anche disponibile in pdf
http://www.i-b-r.org/docs/magneh.pdf

[5] http://www.neutronstructure.org


Mi paiono obieizioni interessanti e degne di nota: voi cosa ne dite?