Tendenze e prospettive per le celle a combustibile a idrogeno per il trasporto pulito

Questo articolo si concentrerà sulle celle a combustibile a idrogeno, tendenze e prospettive per la loro applicazione. Le celle a combustibile a base di idrogeno stanno attirando oggi una crescente attenzione nell'industria automobilistica, perché se il 20° secolo è stato il secolo del motore a combustione interna, allora il 21° secolo potrebbe diventare il secolo dell'energia a idrogeno nell'industria automobilistica. Già oggi, grazie alle celle a idrogeno, le astronavi funzionano e in alcuni paesi del mondo l'idrogeno viene utilizzato da più di 10 anni per generare elettricità.

Una cella a combustibile a idrogeno è un dispositivo elettrochimico come una batteria che genera elettricità attraverso una reazione chimica tra idrogeno e ossigeno, e il prodotto della reazione chimica è acqua pura, mentre la combustione di gas naturale, ad esempio, produce anidride carbonica dannosa per l'ambiente.

Inoltre, le celle a idrogeno possono funzionare con maggiore efficienza, motivo per cui sono particolarmente promettenti. Immagina motori per auto efficienti ed ecologici.Ma l'intera infrastruttura è attualmente costruita e specializzata per i prodotti petroliferi e l'introduzione su larga scala delle celle a idrogeno nell'industria automobilistica deve affrontare questo e altri ostacoli.

Nel frattempo, dal 1839 è noto che l'idrogeno e l'ossigeno possono combinarsi chimicamente e quindi ottenere una corrente elettrica, cioè il processo di elettrolisi dell'acqua è reversibile - questo è un fatto scientifico confermato. Già nel XIX secolo si iniziò a studiare le celle a combustibile, ma lo sviluppo della produzione di petrolio e la creazione del motore a combustione interna lasciarono le fonti di energia dell'idrogeno e divennero qualcosa di esotico, non redditizio e costoso da produrre.

Negli anni '50, la NASA fu costretta a ricorrere alle celle a combustibile a idrogeno, e poi per necessità. Avevano bisogno di un generatore di corrente compatto ed efficiente per il loro veicolo spaziale. Di conseguenza, Apollo e Gemini sono volati nello spazio con celle a combustibile a idrogeno, che si sono rivelate la soluzione migliore.

Oggi le celle a combustibile sono completamente fuori dalla tecnologia sperimentale e negli ultimi 20 anni sono stati compiuti progressi significativi nella loro più ampia commercializzazione.

Non è vano che si ripongano grandi speranze nelle celle a combustibile a idrogeno. Nel processo del loro lavoro, l'inquinamento ambientale è minimo, i vantaggi tecnici e la sicurezza sono evidenti, inoltre, questo tipo di carburante è fondamentalmente autonomo ed è in grado di sostituire le pesanti e costose batterie al litio.

Il combustibile di una cella a idrogeno viene convertito in energia direttamente nel corso di una reazione chimica, e qui si ottiene più energia che con la combustione convenzionale.Consuma meno carburante e l'efficienza è tre volte superiore a quella di un dispositivo simile che utilizza combustibili fossili.

L'efficienza sarà tanto maggiore quanto meglio organizzato sarà il modo di utilizzare l'acqua e il calore generati durante la reazione. Le emissioni di sostanze nocive sono minime, poiché vengono rilasciati solo acqua, energia e calore, mentre anche con il processo organizzato con maggior successo di combustione di combustibili tradizionali, si formano inevitabilmente ossidi di azoto, zolfo, carbonio e altri prodotti di combustione non necessari.

Inoltre, le stesse industrie di combustibili convenzionali hanno un effetto dannoso sull'ambiente e le celle a combustibile a idrogeno evitano una pericolosa invasione dell'ecosistema, poiché la produzione di idrogeno è possibile da fonti energetiche completamente rinnovabili. Anche la fuoriuscita di questo gas è innocua, in quanto evapora all'istante.

La cella a combustibile non ha importanza da quale combustibile si ottiene l'idrogeno per il suo funzionamento. La densità energetica in kWh / l sarà la stessa e questo indicatore è in costante aumento con il miglioramento della tecnologia per la creazione di celle a combustibile.

L'idrogeno stesso può essere ottenuto da qualsiasi fonte locale conveniente, che si tratti di gas naturale, carbone, biomassa o elettrolisi (attraverso l'energia eolica, solare, ecc.) La dipendenza dai fornitori regionali di elettricità scompare, i sistemi sono generalmente indipendenti dalle reti elettriche.

Le temperature di esercizio della cella sono piuttosto basse e possono variare da 80 a 1000°C, a seconda del tipo di elemento, mentre la temperatura in un motore a combustione interna moderno convenzionale raggiunge i 2300°C.La cella a combustibile è compatta, emette un rumore minimo durante la generazione, non ha emissioni di sostanze nocive, quindi può essere collocata in qualsiasi posto conveniente nel sistema in cui funziona.

In linea di principio, non solo l'elettricità, ma anche il calore rilasciato durante una reazione chimica può essere utilizzato per scopi utili, ad esempio per il riscaldamento dell'acqua, il riscaldamento degli ambienti o il raffreddamento: con questo approccio, l'efficienza della generazione di energia in una cella si avvicinerà 90%.

Le celle sono sensibili alle variazioni di carico, quindi con l'aumentare del consumo energetico, deve essere fornito più carburante. Questo è simile a come funziona un motore a benzina o un generatore a combustione interna. Tecnicamente, la cella a combustibile è implementata in modo abbastanza semplice, poiché non ci sono parti mobili, il design è semplice e affidabile e la probabilità di guasto è fondamentalmente estremamente ridotta.

Una cella a combustibile idrogeno-ossigeno con una membrana a scambio protonico (ad esempio «con un elettrolita polimerico») contiene una membrana che conduce protoni da un polimero (Nafion, polibenzimidazolo, ecc.), che separa due elettrodi: un anodo e un catodo. Ogni elettrodo è solitamente una piastra di carbonio (matrice) con un catalizzatore supportato: platino o una lega di platinoidi e altri composti.

Sul catalizzatore dell'anodo, l'idrogeno molecolare si dissocia e perde elettroni. I cationi di idrogeno vengono trasportati attraverso la membrana al catodo, ma gli elettroni vengono donati al circuito esterno perché la membrana non consente il passaggio degli elettroni. Sul catalizzatore catodo, la molecola di ossigeno si combina con un elettrone (fornito da comunicazioni esterne) e un protone entrante e forma acqua, che è l'unico prodotto della reazione (sotto forma di vapore e/o liquido).

Sì, le auto elettriche oggi funzionano con batterie al litio. Tuttavia, le celle a combustibile a idrogeno possono sostituirle. Invece di una batteria, la fonte di alimentazione sosterrà molto meno peso. Inoltre, la potenza dell'auto può essere aumentata non a causa dell'aumento di peso dovuto all'aggiunta di celle della batteria, ma semplicemente regolando l'alimentazione del carburante al sistema mentre è nel cilindro. Pertanto, le case automobilistiche hanno grandi aspettative per le celle a combustibile a idrogeno.

Più di 10 anni fa, i lavori per la creazione di auto a idrogeno sono iniziati in molti paesi del mondo, in particolare negli Stati Uniti e in Europa. L'ossigeno può essere estratto direttamente dall'aria atmosferica mediante un apposito gruppo compressore filtrante posto a bordo del veicolo. L'idrogeno compresso viene immagazzinato in una bombola per impieghi gravosi a una pressione di circa 400 atm. Il rifornimento richiede alcuni minuti.

Il concetto di trasporto urbano ecologico è stato applicato in Europa dalla metà degli anni 2000: tali autobus passeggeri sono stati a lungo trovati ad Amsterdam, Amburgo, Barcellona e Londra.In una metropoli, l'assenza di emissioni nocive e la riduzione del rumore sono estremamente importanti. Il Coradia iLint, il primo treno passeggeri ferroviario alimentato a idrogeno, è stato lanciato in Germania nel 2018. Entro il 2021, è previsto il lancio di altri 14 treni di questo tipo.

Nei prossimi 40 anni, il passaggio all'idrogeno come fonte energetica primaria per le automobili potrebbe rivoluzionare l'energia e l'economia mondiale. Anche se è ormai chiaro che il petrolio e il gas rimarranno il principale mercato dei carburanti per almeno altri 10 anni.Tuttavia, alcuni paesi stanno già investendo nella creazione di veicoli con celle a combustibile a idrogeno, nonostante sia necessario superare molte barriere tecniche ed economiche.

Creare infrastrutture per l'idrogeno, stazioni di servizio sicure è il compito principale, perché l'idrogeno è un gas esplosivo. In entrambi i casi, con l'idrogeno, i costi del carburante e della manutenzione del veicolo possono essere notevolmente ridotti e l'affidabilità può essere aumentata.

Secondo le previsioni di Bloomberg, entro il 2040 le auto consumeranno 1.900 terawattora invece degli attuali 13 milioni di barili al giorno, che rappresenteranno l'8% della domanda elettrica, mentre il 70% del petrolio prodotto oggi nel mondo va alla produzione di carburanti per autotrazione . Naturalmente, a questo punto, le prospettive per il mercato dei veicoli elettrici a batteria sono molto più pronunciate e impressionanti rispetto al caso delle celle a combustibile a idrogeno.

Nel 2017, il mercato dei veicoli elettrici era di $ 17,4 miliardi, mentre il mercato delle auto a idrogeno era valutato a soli $ 2 miliardi. Nonostante questa differenza, gli investitori continuano ad essere interessati all'energia dell'idrogeno ea finanziare nuovi sviluppi.

Così, nel 2017, è stato creato l'Hydrogen Council, che comprende 39 importanti case automobilistiche come Audi, BMW, Honda, Toyota, Daimler, GM, Hyundai. Il suo scopo è la ricerca e lo sviluppo di nuove tecnologie dell'idrogeno e la loro successiva diffusione capillare.