Ominide 50 punti

IL MOTORE A IDROGENO

Il motore a idrogeno è stato la più attuale rivoluzione nel campo dei trasporti, automobilistici in particolare, e nel campo ecologico, grazie alla sua potenzialità di essere molto meno inquinante del motore a benzina.
Le ricerche su questo nuovo tipo di motore a energia “pulita” sono state svolte negli ultimi anni da molte case automobilistiche, in particolare tedesche, ma anche estere, che hanno elaborato vari tipi di motore a combustibile idrogeno, ma senza purtroppo trovarne uno che possa essere prodotto e commercializzato a bassi costi.
Riguardo l’idrogeno, possiamo ritenerlo un ottimo combustibile, da utilizzare, per produrre energia, per mezzo di combustione o mediante “ricongiungimento” chimico con l’ossigeno.
Nel primo caso, l’idrogeno viene bruciato da solo, oppure aggiunto ad altri combustibili. Questa combustione non presenta problemi particolari e produce acqua, idrogeno non bruciato e tracce di ammoniaca. Il ricongiungimento chimico tra idrogeno e ossigeno è alla base della tecnologia delle celle a combustibile, la più utilizzata nella creazione di motori a idrogeno e la migliore dal punto di vista ecologico ed economico.
La cella a combustibile è un generatore elettrochimico in cui vengono mischiati un combustibile, nel nostro caso l’idrogeno, e un ossidante, l’ossigeno in questo caso, e da cui si ricavano corrente elettrica, acqua e calore.

L’inventore delle celle a combustibile

Il primo a effettuare una struttura primordiale della cella funzionante e' stato William Robert Grove (1811-1896). Nato in Swansea, Wales, Professore di fisica nella London Institution dal 1841 al 1846, occupo' anche la carica di avvocato e poi di giudice nella "Court of Common Pleas" e nella "High Court of Justice".
Invento' due celle di particolare significato. La sua prima cella consisteva di zinco diluito con acido solforico e platino in un concentrato di acido nitrico, separato da una brocca porosa ( Groove cell ). La sua seconda cella una "batteria a gas voltaico" era il prototipo della moderna cella combustibile.
Mostro anche che l'elettrolisi con un'alta corrente puo' essere prodotta attraverso un sottile vetro. Il primo esperimento di dissociazione e' stato dato dallo stesso Groove, il quale ha mostrato che il vapore in contatto con una parte di platino fortemente riscaldata riesce a decomporsi in idrogeno e ossigeno.

Cosa sono le Fuel Cells

La cella a combustibile e' un generatore elettrochimico in cui, in linea di principio, entrano un combustibile (tipicamente idrogeno) e un ossidante (ossigeno o aria) e da cui si ricavano corrente elettrica continua, acqua e calore .
Sono simili alle batterie e quindi come gli altri elementi voltaici, una cella a combustibile e' formata essenzialmente da due elettrodi , catodo ed anodo, e da un elettrolito che permette la migrazione degli ioni. Diversamente che dalle batterie comuni, nella cella a combustibile, la materia attiva viene continuamente rinnovata e quindi la corrente elettrica continua puo' essere erogata indefinitamente se si mantiene l'alimentazione di combustibile e di gas ossidanti.

Il combustibile (idrogeno) e i gas ossidanti (ossigeno dato semplicemente dall'aria) lambiscono rispettivamente l'anodo e il catodo (sulle facce opposte a quelle in contatto con l'elettrolito). Data la porosita' degli elettrodi, vengono in questo modo continuamente alimentate le reazioni di ossidazione del combustibile e di riduzione dei gas ossidanti.
Come combustibile possono essere usati oltre all'idrogeno anche il metano e il metanolo ; da questi naturalmente l'idrogeno deve essere estratto con un particolare procedimento. Le celle a combustione possono essere pensate come uno strumento che fa l'inverso dei piu' conosciuti esperimenti dove passando una corrente elettrica attraverso l'acqua si divide in idrogeno e ossigeno.
Un aspetto di importanza fondamentale per le applicazioni delle celle a combustibile, e' rappresentato dal fatto che gli effluenti (acqua e gas esausti), che vanno continuamente rimossi dalla cella, non contengono sostanze inquinanti.
La cella ha struttura piatta a tre strati, di cui quello centrale, compreso fra il catodo e l'anodo, costituisce o contiene l'elettrolito. Alcuni tipi di celle funzionano in orizzontale altre in verticale.

In pratica, le superfici affacciate devono avere un'area sufficiente per ottenere intensita' di corrente adeguate alle esigenze applicative. Si puo' cosi' arrivare, in funzione dell'applicazione e della filiera di celle, a superfici dell'ordine del metro quadrato. Le singole celle (caratterizzate da tensioni comprese da mezzo volt a un volt , secondo la tecnologia adottata e il carico elettrico ad essa collegato) vengono sovrapposte una all'altra, collegandole in serie in modo da ricavare una tensione complessiva del valore desiderato. L'impilamento di celle che cosi' si ottiene, forma il cosiddetto stack (o "pila"), che rappresenta la base della sezione elettrochimica. Generalmente un impianto a celle a combustibile e' composto, oltre che dal modulo di potenza (contenente la sezione elettrochimica) anche da un convertitore di corrente (inverter) e di un trasformatore che convertono la corrente continua generata dalla pila in corrente alternata alla tensione e alla frequenza desiderate.

Tipi di Fuel Cells

Le celle a combustibile a bassa e media temperatura (AFC, PEM, PAFC) presentano minori problemi tecnologici e permettono l'uso di materiali strutturali non particolarmente pregiati (sono pero' richiesti catalizzatori a base di metalli nobili). I rendimenti possono arrivare al 40%; solo le celle alcaline raggiungono il 50%. Le celle a combustibile ad alta temperatura (MCFC, SOFC) presentano maggiori difficolta' tecnologiche, ma hanno maggiore flessibilita 'rispetto al combustibile e possono raggiungere rendimenti piu' elevati; inoltre l'alta temperatura del calore residuo consente l'integrazione in cicli di tipo combinato, permettendo di arrivare a rendimenti complessivi del 60-65 %. Fc sono classificate in base al tipo di elettrolita che e' usato da cui poi prendono il nome. Le celle alkaline (AFC) usano una soluzione acquosa di idrossido di potassio e operano ad una temperatura di circa 120°C. Esse sono le prime celle che sono state usate in campo pratico, ad esempio su sottomarini e veicoli spaziali. Sono poi state soppiantate da modelli piu' raffinati come le PAFC basate su una membrana di acido fosforico. Le piu' raffinate sono le celle a ossidi solidi SOFC le quali operano alte temperature intorno ai 1000°C.

Le principale caratteristiche e diversità tra le varie celle sono state riassunte in questa tabella:

PEM-SOFC-PEFC AFC PAFC-SAFC SOFC MCFC
Anodo Nickel Nickel Poroso Oro, Titanio, Carbone Nickel + Ossido di Zirconio Nickel + low% Cromo
Catodo Nickel Nickel Poroso Oro, Titanio, Carbone Manganati di Lantanio Ossido di Nickel Litiato
Elettrolita Polimerica Alkalina Acido Fosforico Ossido di Zirconio stab. ossido di Ittirio Mix di carbonati di Potassio e Litio
Catalizzatore Platino Nickel Platino NO Nickel
Reforming SI SI SI NO NO
Rafreddamento SI NO NO NO NO
Temperatura (°C) 60-120 60-100 180-200 800-1000 600-700
Efficienza (%) 40 70 40-45 50-60 50-60
Calore NO Basso Basso Alto Alto
Residui H2O H2O H2O H2O + CO2 H2O
Applicazioni Piccole, medie Piccole, spaziali Stazioni da 50-200KW Stazioni da KW a MW Stazioni da MW

NASCITA ED INVENZIONE DEL MOTORE A SCOPPIO

I motori a combustione interna, sono anche definiti motori termici, nei quali la combustione avviene internamente. Il motore è una macchina atta ad assorbire l'energia di una sorgente ed a trasformarla in lavoro meccanico. Generalmente i motori non sono fini a se stessi, bensì agiscono su macchine operatrici le quali eseguono lavorazioni utili all'uomo.
Nel 1854 Eugenio Barsanti e Felice Matteucci ( fisico ) brevettarono e costruirono il primo motore a combustione interna che abbia mai funzionato. Fin dal 1851 tra i due studiosi inizia, oltre che un rapporto di amicizia, una collaborazione professionale nel campo tecnico scientifico. Le prime esperienze furono eseguite con un cilindro in ghisa munito di stantuffo e di valvole che permise di studiare gli effetti del miscuglio detonante di ossigeno e idrogeno, aria e idrogeno, aria e gas luce. Questi esperimenti servirono anche a capire, oltre al comportamento dello stantuffo, il problema dell'espulsione dei gas di scarico prodotti dalla combustione. L'accensione della miscela avveniva o con scintilla elettrica o piccola fiammella di gas, soluzione quest'ultima presto abbandonata a favore della prima. Da tali esperimenti dedussero che la forza prodotta dalla rapida combustione dava una forte spinta allo stantuffo, che non arrivava però alla fine della corsa se non in due casi:
• Carica di gas molto elevata
• Stantuffo il più possibile libero durante la corsa di andata
Notarono inoltre che quando lo stantuffo arrivava a "fine corsa" ritornava poi spontaneamente e velocemente indietro. Dedussero quindi che ciò era dovuta alla condensazione dei gas che producevano un vuoto e conclusero che era la pressione atmosferica a far si che il pistone tornasse indietro. Si trattava di un motore verticale a stantuffo libero: lo scoppio, all’interno della camera di combustione, avveniva attraverso una miscela di aria e gas illuminante; ciò, proiettava il pistone in aria e per effetto, della depressione che si generava all’interno del cilindro, lo stantuffo ridiscendeva con un movimento controllato da uno speciale dispositivo a dentiera. Attraverso questi procedimenti, si compiva la così detta corsa motrice.
Successivamente, nel 1860,il francese Lenoir costruì il primo motore a combustione interna che ebbe applicazioni industriali. Era un motore detto a doppio effetto cioè con distribuzione a cassetto in cui la miscela , costituita da aria e gas illuminante, veniva aspirata dal pistone ( all’interno della camera di combustione ) per circa metà corsa, successivamente, si accendeva una scintilla elettrica la quale incendiava il combustibile che a sua volta spingeva lo stantuffo per la seconda metà della corsa compiendo così un giro utile. Il suo rendimento era del 4% e ciò rese notevole la diffusione di tale motore
Nel 1866 i tedeschi E. Langen e A. Otto costruirono un motore verticale a stantuffo libero, analogo a quello di Barsanti e Matteucci, ma alquanto differente per alcuni accessori come lo speciale innesto tra l’albero motore ed il rocchetto il quale controllava il movimento dello stantuffo.
Questo motore Sostituì ben presto il motore inventato da Lenoir per il minor consumo di combustibile ed un rendimento pari al 12% nonostante le enormi dimensioni di ingombro e le violente vibrazioni che trasmetteva alle strutture di sostegno. Nel 1860 il francese Beau de Rochas ideò il ciclo a quattro tempi secondo il quale in quattro corse del pistone, all’interno del cilindro si dovevano effettuare le seguenti operazioni:
• 1° corsa: aspirazione della miscela
• 2° corsa: compressione
• 3° corsa: accensione al punto morto e successiva espansione dei prodotti di combustione ( scoppio )
• 4°corsa: scarico dei gas combusti
Tale ciclo di funzionamento è ancora oggi usato nei motori a quattro tempi. Nel 1877 il tedesco A.Otto costruì il primo motore a quattro tempi che ebbe un notevole successo, segnalando l’inizio della moderna costruzione industriale dei motori a combustione interna, inoltre diede il nome al ciclo termodinamico che caratterizza tali motori. Con il passare degli anni il motore a scoppio subì diverse modifiche e miglioramenti sfruttando però lo stesso principio di funzionamento, ed è giunto fino ad oggi spadroneggiando nel campo automobilistico.

MOTORE A CICLO OTTO

I motori a ciclo Otto hanno numerosi componenti. La camera di combustione è costituita da un cilindro in cui si muove un pistone (o stantuffo) collegato, mediante una biella, al bottone di manovella dell’albero motore. Questo è detto anche albero a gomiti per la sua particolare forma, che consente di trasformare in moto rotatorio continuo il moto rettilineo alternativo del pistone. Nei motori policilindrici le manovelle dell’albero a gomiti sono sfalsate una rispetto all’altra, in modo che la potenza dei singoli cilindri venga applicata all’albero stesso in sequenza regolare durante la rotazione. Gli alberi a gomiti sono dotati di pesanti volani e contrappesi che, grazie alla loro inerzia, riducono al minimo le irregolarità nel movimento dell’albero.
La versione più diffusa è quella a quattro tempi: ciò significa che in un ciclo completo i pistoni compiono quattro corse, due verso la testa del cilindro e due in direzione opposta. Durante la prima corsa il pistone si allontana dalla testa del cilindro e la valvola di ammissione si apre; il moto del pistone provoca l’aspirazione di una determinata quantità di miscela di aria-carburante nella camera di combustione. Durante la corsa successiva il pistone si sposta verso la testa del cilindro, comprimendo la miscela nella camera di combustione; quando il volume di quest’ultima è al minimo, al termine della corsa, l’arco elettrico prodotto dalla candela di accensione innesca la combustione della miscela. Nella combustione si sviluppa una notevole quantità di gas che, espandendosi, esercita una forte pressione sul pistone, il quale si allontana dalla testa del cilindro e compie la terza corsa, la sola attiva del ciclo. Durante la corsa finale la valvola di scarico si apre e il pistone si riporta verso la testa del cilindro; i gas di combustione vengono evacuati dal cilindro e il motore è pronto per ripetere il ciclo.
Il rendimento dei motori a ciclo Otto è limitato da numerosi fattori, principalmente dalle perdite dovute al raffreddamento e all'attrito, e dipende strettamente dal rapporto di compressione (rapporto tra i volumi massimo e minimo della camera di combustione), che è dell’ordine di 8 a 1, o di 10 a 1 nei motori più moderni. Sono anche possibili rapporti di compressione più elevati, sino a circa 12 a 1, con un rendimento superiore al normale 20-25%, purché vengano utilizzati carburanti ad alto numero di ottano.

TRASFORMAZIONI TEORICHE DEL CICLO OTTO.

Il ciclo teorico (vedi fig. A) si compone di quattro trasformazioni essenziali, più due sussidiarie, di un gas ideale; durante l'esposizione useremo anche espressioni e concetti che sono tipici dei motori reali (vedi fig. B):
1) ammissione (sussidiaria): è la trasformazione isobara 0 - 1. Non è necessaria nel ciclo teorico; nel ciclo reale serve per permettere l'ingresso nel cilindro della miscela aria - benzina, attraverso l'apertura dell'apposita valvola di ammissione. Avviene alla pressione atmosferica nel primo tempo, quando il pistone si muove da p. m. s. a p. m. i., determinando una pressione interna inferiore a quella esterna e di conseguenza permettendo all'aria atmosferica di entrare, trascinando con sè una dose di benzina, per occupare lo spazio lasciato libero dal pistone.
2) compressione: è la trasformazione adiabatica 1 - 2. Avviene nel secondo tempo, quando il pistone si muove da p. m. i. a p. m. s., determinando un forte aumento di pressione e di temperatura; nel ciclo reale l'aumento di temperatura determina la somiglianza del gas reale a quello ideale. Questa fase avviene a spese di lavoro esterno, e quindi negativo, fornito da un apposito organo meccanico chiamato volano.
3) combustione: è la trasformazione isocora 2 - 3. Avviene idealmente con pistone fermo al p. m. s. e quindi istantaneamente: è questa la situazione più lontana dalla realtà costruttiva, determinando la più importante differenza fra ciclo teorico e reale. La combustione inizia prima del punto 2 e finisce dopo il punto 3 per cui la trasformazione 2 - 3 si riduce ad un punto di tangenza.

4) espansione: è la trasformazione adiabatica 3 - 4. Avviene nel terzo tempo, quando il pistone si muove da p. m. s. a p. m. i., determinando una forte e rapida diminuzione di pressione e di temperatura, ed è l'unica fase attiva, nella quale il gas produce lavoro.
5) scarico naturale: è la trasformazione isocora 4 - 1. Avviene idealmente con pistone fermo al p. m. i. e quindi istantaneamente: si apre la valvola di scarico e il gas combusto, nel motore reale, esce spontaneamente avendo una pressione maggiore di quella atmosferica.
6) scarico forzato (sussidiaria): è la trasformazione isobara 1 - 0. Avviene nel quarto tempo, quando il pistone muovendosi da p. m. i. a p. m. s. espelle i gas combusti residui attraverso la valvola di scarico ancora aperta.
Nel motore ideale con gas perfetto mancano la 0 - 1 e la 1 - 0 perché si tratta di un ciclo chiuso nel quale il gas riceve calore dall'esterno nella trasformazione 2 - 3 e lo cede all'esterno nella trasformazione 4 - 1, per cui non c'è nè combustione nè scarico. Se fosse possibile fornire e sottrarre calore(1) in tempi piccolissimi attraverso una parete, nel cilindro ci sarebbe sempre lo stesso gas e il ciclo del motore sarebbe simile a quello del frigorifero, salvo il verso di percorrenza.

IL CICLO OTTO REALE

Le differenze più notevoli rispetto al ciclo teorico sono (vedi la figura B e le crocette blu):
1) l'ammissione avviene prima con pressione decrescente e poi crescente, perché il gas ha una sua inerzia (curva a).
2) la compressione è una politropica, prima più bassa dell'adiabatica (perché il cilindro cede parte del calore di compressione verso l'esterno) e poi più alta (perché è già cominciata la combustione: curve b e c).
3) la combustione inizia durante la compressione e quindi contrasta il moto del pistone (che fa più "fatica" a salire verso p. m. s.) e finisce durante l'espansione quando il pistone sta già "fuggendo" verso p. m. i. (curva d).
4) l'espansione è una politropica ad esponente variabile ed è più breve di un tempo perché la valvola di scarico deve aprirsi prima che si arrivi al punto 4, altrimenti il gas combusto non ha abbastanza tempo ed energia per uscire dal cilindro.
5) lo scarico naturale richiede una notevole dose di energia, che determina una brusca caduta di pressione nel cilindro (curva e).
6) lo scarico forzato non avviene "gratis", ma a spese dell'energia accumulata dal volano, con pressione prima crescente e poi decrescente a causa dell'inerzia del gas (curva f).

PRECISAZIONI

1): l'inerzia sia del gas sia degli organi meccanici consiste nella resistenza ai cambiamenti di velocità, per cui il moto tende ad iniziare e finire in ritardo. Di conseguenza bisogna dare gli "ordini" in anticipo: ad esempio la valvola di ammissione inizierà l'apertura prima che sia finito lo scarico forzato.
2): l'inerzia si può anche sfruttare per ottenere dentro il cilindro una pressione della miscela fresca maggiore di quella atmosferica. Infatti (curva a) la valvola di ammissione si chiude un poco dopo il punto 1 e l'aria continua ad entrare nonostante che il pistone abbia già cominciato la corsa di compressione. Si ottiene così una piccola sovralimentazione, che determina un coefficiente di riempimento leggermente maggiore di uno.
3): la pressione massima reale è alquanto minore di quella teorica perché la combustione deve essere lenta, e iniziare prima di p. m. s. e finire dopo. Nel ciclo teorico la combustione si verifica istantaneamente e quindi si ottiene una pressione ben maggiore.
4): lo scarico inizia (curva e) durante l'espansione e prosegue (curva f) sin dopo l'apertura della valvola di ammissione, per cui per un breve periodo entrambe le valvole sono aperte (vedi al punto 1) con la cocreta possibilità che una parte della benzina esca insieme ai gas combusti (fase di "lavaggio").
5): il lavaggio è certamente una causa di perdita di energia, ma, se non ci fosse, rimarrebbe nel cilindro una maggiore quantità di gas combusto con conseguenze ben peggiori: infatti il gas combusto, caldo e privo di ossigeno, impedirebbe l'ingresso di una grande quantità di miscela fresca, con notevole riduzione di potenza. Ciò accade per esempio quando il condotto di scarico è sporco od ostruito, per cui i gas combusti non riescono ad uscire facilmente. In modo approssimativo si può affermare che è meglio perdere 10 grammi di benzina piuttosto che conservare un solo grammo di gas combusto.

Ciclo reale vs. ciclo di funzionamento
Il ciclo reale non è il ciclo di funzionamento: esso è ancora un ciclo di progetto, è ancora un ciclo di carta. Quando il motore è costruito e funzionante, con appositi sensori si costruisce il "ciclo indicato" che è quello "vero" e sul quale si agisce con successive, anche piccole, correzioni operate sui componenti del motore. Le differenze fra i motori in commercio dipendono proprio da tali correzioni.
Negli ultimi anni si sta studiando proprio una simile soluzione: un gas speciale è contenuto in due serbatoi, uno ad alta temperatura e pressione (sorgente calda) e l'altro a bassa temperatura e pressione (sorgente fredda). Il ciclo si compie facendo entrare il gas dalla sorgente calda nel segmento 2 - 3 e facendolo uscire nel segmento 4 - 1 verso la sorgente fredda. Le più importanti difficoltà riguardano gli ingombri dei serbatoi e degli apparati che consentono di mantenerli alla temperatura e pressione volute.

PRO E CONTRO

Per comprendere meglio le ragioni del crescente interesse nei confronti delle celle a combustibile, è opportuno analizzare rapidamente i loro principali vantaggi.

RENDIMENTO

Innanzitutto i rendimenti elettrici che, a seconda della filiera tecnologica e della configurazione di impianto prescelta, possono variare dal 40% al 65%. Il rendimento di una cella a combustibile non è limitato a quello di un ciclo di Carnot - che è il massimo rendimento ottenibile da un tradizionale motore a combustione - Così le celle per autotrazione generano energia elettrica con un rendimento che arriva anche al 60% a potenza ridotta, in contrasto con il 20% dei motori a combustione interna (anche se alcuni motori diesel avanzati hanno raggiunto rendimenti del 30%)

IMPATTO

Uno dei punti di maggiore interesse è il ridotto impatto ambientale di tali tecnologie dovuto a bassissime emissioni inquinanti anche in assenza di specifici sistemi di controllo degli esausti e di conseguenza ridotte emissioni di anidride carbonica (nulle nel caso che il combustibile primario utilizzato sia l’idrogeno). Le celle a combustibile garantiscono inoltre, elevata affidabilità, minime emissioni acustiche e bassa manutenzione per l’assenza di importanti organi in movimento (ad esclusione dei sistemi di pompaggio e ricircolazione dei gas); questo è già verificato per le tecnologie commerciali (PAFC) per le quali esiste un’ampia casistica di esercizio.

FLESSIBILITA'

Un altro vantaggio è rappresentato dalla flessibilità delle celle rispetto al combustibile, alcune configurazioni possono infatti impiegare idrogeno, gas naturale, biogas, gas di discarica, gas da carbone, metanolo o altri combustibili fossili opportunamente trattati. Vi è inoltre la possibilità di modulare un’ampia gamma di potenze, il che facilita la realizzazione di diverse tipologie d’impianti capaci di soddisfare le esigenze dell’applicazione e della domanda attuale, con la possibilità adeguamento successivo alla crescita della domanda attraverso investimenti graduati nel tempo. Ciò sarà favorito inoltre dalla facilità nell’individuazione dei siti d’installazione, anche in zone densamente abitate e/o con ristretti vincoli ambientali.

CONTINUITA'

Infine, altro fondamentale vantaggio, le celle a combustibile hanno la capacità di offrire alti rendimenti ed un’elevata "power quality" sotto il profilo della continuità, disponibilità, possibilità di regolazione locale della potenza attiva e reattiva, pronta risposta alle variazioni di carico, con difficoltà modeste nella fase di trattamento del combustibile.

L'idrogeno gassoso non presenta problemi particolari per la sua combustione, peraltro occorrono volumi di idrogeno tre volte maggiori rispetto al gas naturale per produrre la stessa quantità di calore. Sono, inoltre, necessarie modifiche per adattare i bruciatori a fiamma aperta poiché le velocità dei flussi sono sensibilmente più elevate. Nella combustione dell'idrogeno in aria con fiamma libera, gli unici prodotti inquinanti che vengono immessi nell'ambiente sono gli ossidi di azoto (NOx) che possono formarsi ad alta temperatura in aria durante le combustione. Sono invece completamente assenti tutti gli altri prodotti inquinanti emessi dalla combustione dei fossili, dagli ossidi di zolfo a quelli di carbonio, alle polveri, agli idrocarburi incombusti. Le principali caratteristiche della combustione dell'idrogeno sono:
- La combustione avviene con fiamma non luminosa
- A rapporto stechiometrico di miscela, la temperatura della fiamma idrogeno/aria è più elevata di quella della fiamma metano/aria
- La velocità di fiamma dell'idrogeno è molto elevata, circa 10 volte quella del metano
- I limiti di infiammabilità del rapporto della miscela metano/aria sono compresi fra 5 e 15, mentre per quella idrogeno/aria i limiti variano tra 4 e 75.
- L'energia da fornire per l'accensione dell'idrogeno in aria è nettamente inferiore a quella occorrente per il metano: 0,02 mJ rispetto a 0,3 mJ per il metano.
Quest'ultima caratteristica favorisce la combustione catalitica dell'idrogeno, che è invece difficile da innescare con il gas naturale. E' quindi possibile realizzare un riscaldamento senza fiamma, mantenendo il letto catalitico a temperatura molto bassa, ad esempio a 100°C, a tale temperatura non si formano ossidi di azoto, con ciò eliminando l'unico eventuale inquinamento dovuto alla combustione dell'idrogeno. Ricerche sperimentali su bruciatori catalitici per idrogeno sono state condotto presso l'Institute of Gas Technology di Chicago ricavando rendimenti di combustione a fiamma (85% in luogo di 70%).
Tutta questa serie di vantaggi ed opportunità, nella nuova ottica mondiale sempre più focalizzata alla salvaguardia ambientale e parallelamente agli sviluppi tecnologici degli ultimi decenni, grazie ai quali si hanno a disposizione nuovi materiali e tecnologie, ha spinto concretamente l’interesse di diversi sviluppatori verso le pile a combustibile. In effetti, la riscoperta delle pile a combustibile, molti anni dopo le prime esperienze pionieristiche degli inventori, risale agli anni 1960 con finalità di applicazione in campo spaziale, che ovviamente privilegiavano gli aspetti di affidabilità, peso e densità di potenza, senza preoccupazione alcuna per i costi. L’interesse verso la generazione di potenza, che pone requisiti assai diversi, è più recente ed è maturato di pari passo con l’accresciuta disponibilità di materiali adatti a costi meno proibitivi.
Quindi, grazie agli sviluppi già compiuti e a quelli in corso, le pile a combustibile possono assumere in breve, nella generazione stazionaria di potenza, un ruolo interessante per la ideale combinazione di vari fattori che stanno maturando e assumendo rilevanza, in maniera concomitante, proprio in questi anni.In alcune regioni particolarmente industrializzate, la generazione distribuita riveste ormai importanza crescente in quanto rappresenta un mezzo per aumenti di potenza solo migliorando semplicemente l’utilizzo dei sistemi di generazione, trasmissione e distribuzione esistenti. Queste integrazioni, ancora limitate, sono realizzate con piccole turbine e gas e motori a combustione interna nel settore convenzionale e con generatori fotovoltaici ed eolici nel settore rinnovabile. A parte la diversa maturità tecnologica, le diverse possibili applicazioni sono tali che quasi ogni filiera di pile a combustibile può efficacemente candidarsi, puntando in una fase iniziale a particolari nicchie dove specifici vantaggi possano farla preferire, oltre che ai sistemi tradizionali, anche agli altri tipi di pile.
Uno dei principali limiti a questa diffusione è rappresentato oggi dai costi. I diversi livelli di maturità attualmente raggiunti non permettono confronti omogenei ed esaustivi né rispetto ai generatori tradizionali né tra i diversi tipi di celle. Le riduzioni necessarie per raggiungere livelli di costo accessibili, anche se particolarmente impegnative, appaiono tuttavia possibili sia in virtù di affinamenti tecnologici sia come effetto dell’atteso aumento dei volumi.
La possibilità di ridurre i costi è poi variabile da una filiera all’altra anche in base alla maggiore o minore complessità presentata dai principali componenti. Ad esempio il sistema di trattamento del combustibile è relativamente più semplice e meno costoso nelle pile ad alta temperatura in quanto i processi di reforming possono avvenire direttamente all’anodo della cella o comunque nel circuito anodico, mentre nelle pile a bassa temperatura è solitamente richiesto un processo di reforming esterno.
Considerato questo complesso di fattori e il diverso grado di maturazione tecnologica delle diverse filiere, è sicuramente difficile e poco rilevante effettuare un confronto con i sistemi di generazione tradizionali che, per i sistemi orientati alla generazione distribuita, sono o saranno principalmente rappresentati da microturbine, motori a combustione interna/diesel, turbine a gas, cicli combinati.

Registrati via email