Stato attuale e prospettive tecnologiche delle celle a combustibile

Candidato: Ing. Francesco Saggese
Relatore: Prof. Ing. Luigi Verolino (Elettrotecnica)
Correlatore: Ing. Dario Assante
Dipartimento: DIEL
Anno: 2002/2003

Scopo di questa tesi è esaminare lo stato attuale e le prospettive di sviluppo delle celle a combustibile, una tra le tecnologie emergenti nel campo della produzione dell’energia.
La diminuzione graduale, ma continua, delle riserve di combustibili fossili e le problematiche di inquinamento ambientale che l’uso di tali combustibili determinano, pongono la necessità, forse non più rinviabile, di una transizione verso fonti o vettori energetici meno inquinanti. Una strada promettente e foriera di risultati è quella dell’idrogeno che è l’unico elemento in grado di assicurare l’approvvigionamento energetico futuro del mondo, senza influire troppo sulle condizioni ambientali del pianeta.
Le celle a combustibile possono rappresentare la risposta adeguata alla richiesta di sistemi energetici ecologici sia per applicazioni di potenza che di trasporto, candidandosi degnamente a costituire una valida alternativa per rispondere alla crescente domanda di energia.
Tuttavia, prima che ciò possa avvenire occorrerà risolvere alcune questioni che rappresentano, a tutt’oggi, una limitazione alla loro diffusione. Prima tra tutte, i costi degli impianti e dell’idrogeno necessario per alimentarle, che incidono sul costo dell’energia prodotta, rendendolo ancora troppo alto se confrontato con quello legato alle fonti non rinnovabili. Ciò è vero tanto per la produzione stazionaria, quanto per quella destinata al trasporto. A ciò si aggiungano le barriere tecnologiche che ancora limitano lo sviluppo delle varie tipologie di celle e vari problemi tecnici. Tra questi, i più stringenti sono quelli connessi ai sottosistemi necessari per immagazzinare l’idrogeno in maniera sicura ed efficiente ed alla mancanza di una adeguata rete di trasporto e distribuzione del combustibile.
Negli ultimi venti anni la ricerca relativa al sistema idrogeno, nelle varie fasi della catena tecnologica dalla produzione agli usi finali, ha prodotto, seppure in modo non continuativo, risultati molto interessanti ed incoraggianti. Tuttavia, molto rimane da fare in termini di ricerca e sviluppo di soluzioni realmente efficaci ed economiche.
Nel campo della generazione di potenza stazionaria, l’unica tecnologia ad aver raggiunto una maturità commerciale è quella delle celle ad acido fosforico (PAFC), il cui settore più promettente è quello degli impianti di piccola taglia, (200÷1000) kW, alimentati a gas naturale. I costi di tali impianti, (3000÷4000) $/kW, ancora alti rispetto ai sistemi convenzionali per la produzione di energia, collocano le poche unità in commercio soprattutto in quelle nicchie di mercato che richiedono elevata affidabilità ed un ridotto impatto ambientale localizzato. In ogni caso, secondo i principali produttori i prezzi sono destinati a scendere nel giro di pochi anni, grazie alla crescita della domanda ed al passaggio ad una fase di produzione di serie su larga scala.
Lo sviluppo del mercato delle celle dipende fortemente dall’evoluzione in atto con la liberalizzazione del sistema elettrico e, più in generale, del sistema energetico e dai tempi e dai modi con cui la stessa verrà attuata. Già oggi in tutto il mondo la tendenza è quella di abbassare la taglia media degli impianti di generazione. In Italia, ad esempio, la taglia media è già scesa nel 1999 al di sotto dei 50 MW.
È, quindi, prevedibile uno spazio crescente per tecnologie di generazione di piccola e media taglia a limitato impatto ambientale ed elevata efficienza come le celle a combustibile.
Le celle a bassa temperatura, e tra queste soprattutto quelle PAFC, avranno un ruolo chiave nel breve e medio termine per l’introduzione della tecnologia nel mercato con impianti di ridotta potenza sfruttabili per usi residenziali. In una prospettiva a lungo termine, sempre maggiore importanza potrebbe essere assunta dalle celle ad alta temperatura in virtù della loro maggiore efficienza, ulteriormente migliorabile sfruttando l’elevata temperatura del calore residuo in cicli combinati, e del loro possibile impiego anche per impianti di qualche decina di mega-watt.
Nelle applicazioni delle celle a combustibile nel settore dei trasporti, un requisito fondamentale è sicuramente costituito dal fatto di dover realizzare dei sistemi di minimo ingombro e peso allo scopo di non limitare l’autonomia e la capacità di carico del veicolo.
Se da un lato la scelta del tipo di cella da utilizzare nell’ambito della trazione elettrica è ormai universalmente ricaduta su quelle ad elettrolita polimerico (PEFC), essendo queste le uniche ad avere caratteristiche di funzionamento che ben si adattano ad impieghi nel campo della trazione (veloci start-up, elevata densità di potenza), dall’altro rimane ancora notevole incertezza tra i costruttori impegnati nello sviluppo di prototipi, per quanto riguarda l’approvvigionamento dell’idrogeno con cui alimentare le celle.
In generale è possibile identificare due diverse scelte progettuali a soluzione del problema:

1) produrre l’idrogeno in impianti stazionari e successivamente immagazzinarlo a bordo;
2) produrre l’idrogeno just in time direttamente all’interno del veicolo mediante compatte unità di  reforming.

La prima ipotesi, sicuramente più semplice per la gestione complessiva del veicolo elettrico e meno costosa per l’assenza della sezione di trattamento del combustibile, è fortemente vincolata dall’assenza di una tecnologia in grado di garantire lo stoccaggio di adeguate quantità di idrogeno in modo conveniente, sicuro ed efficiente. Gli attuali veicoli dimostrativi utilizzano idrogeno immagazzinato e trasportato a bordo liquefatto in serbatoi a bassa temperatura (-253 °C) oppure in forma compressa, in bombole ad alta pressione, (200÷250) bar, o stoccato in idruri metallici. Soluzioni non sempre soddisfacenti in termini di densità di energia raggiunta, inferiore a quella di un carburante tradizionale. Valori simili a quelli di questi ultimi si potrebbero ottenere in prospettiva solo con l’accumulo in nanostrutture di carbonio, se saranno confermate le potenzialità di questa tecnologia. A ciò si aggiunga la completa assenza di strutture di distribuzione del combustibile.
La seconda ipotesi, pur comportando complicazioni impiantistiche e maggiori costi sia per la presenza del reformer sia per la maggiore potenza richiesta allo stack per sopperire all’aumento di peso del veicolo, permetterebbe l’utilizzo di combustibili, come benzina e metanolo, più facilmente stivabili e per i quali è possibile sfruttare una rete di distribuzione già esistente o adattabile.
In ogni caso, quale che sia il combustibile adoperato, i costi degli impianti sono, allo stato attuale, molto elevati e compresi tra 2500 $/kW per i sistemi alimentati direttamente ad idrogeno, fino a 5000 $/kW per i sistemi con reformer.
Per ottenere prezzi che siano competitivi, nel breve termine, con quelli dei sistemi tradizionali occorre sia ridurre i costi dei principali componenti dello stack, sia lavorare allo sviluppo di processi di fabbricazione adatti per la produzione di serie.
Negli ultimi anni, per effetto delle normative sempre più severe sulle emissioni inquinanti, vi è stato un crescente interesse verso i sistemi di propulsione veicolare basati su celle a combustibile in virtù dei vantaggi energetici ed ambientali che essi possono assicurare nei confronti dei motori convenzionali tant’è che, oggi, tutte le maggiori case automobilistiche mondiali hanno in corso programmi per lo sviluppo di prototipi di veicoli a fuel cells. La maggior parte degli autocostruttori sembra orientata al metanolo per l’applicazione all’autotrazione leggera, anche se non mancano realizzazioni che impiegano benzina ed idrogeno.
Una delle prospettive più interessanti per i nuovi sistemi di propulsione a celle a combustibile è rappresentata dal loro impiego nel settore del trasporto pubblico urbano. Questi mezzi operano infatti in zone altamente urbanizzate, dove maggiore importanza riveste il problema dell’inquinamento da traffico ed in secondo luogo, fanno riferimento ad un punto di rifornimento centralizzato il che facilita l’approvvigionamento del combustibile quale che sia la scelta adottata dai costruttori. L’utilizzo diretto di idrogeno comporta, inoltre, minori problemi, dal momento che pesi ed ingombri del sistema di accumulo risultano fattori meno critici su questi mezzi. Proprio per queste ragioni, molte delle sperimentazioni finora condotte, riguardano proprio autobus per trasporto pubblico.
In conclusione, è opinione diffusa tra gli analisti che, in una prospettiva  a lungo termine, i veicoli a fuel cells potrebbero ritagliarsi una fetta di mercato sia nei confronti dei veicoli elettrici, avendo questi caratteristiche di autonomia inferiori, sia dei motori a combustione interna le cui emissioni locali sono di gran lunga superiori anche con i più perfezionati sistemi catalitici.