Quando si genera elettricità a partire dai combustibili fossili, si sfrutta l’energia termica per produrre vapore. Il vapore aziona una turbina collegata a un generatore. Nel processo di combustione, non tutta l’energia prodotta è convertita in lavoro utile (azionamento della turbina), l’energia contenuta nei legami chimici del combustibile è sprecata perché si dissipa nell’ambiente sottoforma di calore. Le celle a combustibile vogliono risolvere tale spreco.
Un modo molto più efficiente per produrre energia elettrica lo si avrebbe se si sfruttassero gli elettroni di legame per produrre direttamente elettricità, saltando il processo di trasformazione che vede la produzione di vapore, l’azione della turbina e del generatore. E’ questo che accade nelle celle a combustibile, l’energia chimica dei legami è convertita direttamente in elettricità.
Se con l’utilizzo convenzionale dei combustibili fossili si ha un’efficienza del 20-25%, le celle a combustibile hanno un’efficienza superiore al 60%. Il funzionamento di una cella a combustibile è simile a quello di una batteria, la differenzia sostanziale sta nei regenti: il combustibile delle celle a combustibile è fornito dall’esterno garantendo un funzionamento continuo.
Come per le batterie dei nostri cellulari, anche la struttura di una cella a combustibile può essere divisa in due reparti dove avverranno l’ossidazione e la riduzione: in un compartimento un elemento perde elettroni (ossidazione) e dall’altro, un’altra specie chimica acquista elettroni (riduzione). I due compartimenti sono collegati per consentire un flusso elettronico spontaneo, così, gli elettroni passano da dove è avvenuta l’ossidazione al compartimento della riduzione. Il flusso passa mediante un conduttore metallico e, come ogni flusso spontaneo in un circuito elettrico, costituisce elettricità.
Gli elettroni sono cariche negative che devono essere bilanciate.I due compartimenti sono separati da una membrana permeabile solo ai protoni (cariche positive) che fluiranno dall’anodo al catodo per bilanciare il flusso netto di cariche negative.
L’ossidazione di un combustibile vede elettroni fluire nell’altro compartimento dove reagiscono con un agente ossidante, tipicamente l’ossigeno. L’ossidazione del combustibile produce ioni positivi (il combustibile perde elettroni e rimane con una carica netta positiva), sono proprio questi ioni positivi a bilanciare la carica.
Perché non si ha perdita di energia mediante calore?
Il combustibile e l’agente ossidante sono situati in compartimenti differenti e non entrano mai in contatto diretto l’uno con l’altro, non vi è combustione ma solo una reazione netta che vede l’ossidazione del combustibile e il consumo dell’agente ossidante (ossigeno). Nel circuito elettrico, l’energia della reazione viene convertita direttamente in elettricità.
Esistono celle a combustibile a idrogeno ma anche a metano o altri idrocarburi. Le celle a combustibile non ci svincolano dalla dipendenza dai combustibili fossili ma ne aumentano notevolmente l’efficienza. Negli Shuttle le celle a combustibile impiegate sono basete sull’idrogeno. La reazione complessiva produce acqua. Nella cella a combustibile viene immesso idrogeno gassoso, questo è convertito a ioni idrogeno con la produzione di elettroni. Tale comparto è l’anodo e da qui, gli elettroni fluiranno nel circuito esterno dove, mediente il conduttore, giungeranno nel compartimento della riduzione (catodo). Gli elettroni prodotti sono utilizzati dall’ossigeno che poi produce acqua per combinazione con ioni H+.
Una reazione più palese la si può osservare con le celle a combustibile basete sugli idrocarburi come metano (CH4) e metanolo (CH4OH). In questo caso, però, i prodotti di reazione sono due, oltre l’acqua si produrrà anche anidride carbonica (CO2). Con gli idrocarburi, prendiamo l’esempio del metanolo, la reazione che si osserverà nella cella a combustibile sarà di questo tipo:
2 CH3OH (due molecole di metanolo liquido) + 3 O2 (tre molecole di ossigeno gassoso) —> 2 CO2 (due molecole di biossido di carbonio gassoso) + 4 H2O (quattro molecole di acqua liquida).
Con questa reazione si stima la produzione di 23 kj di energia per ogni grammo di metanolo liquido impiegato (pari a 727 kj/mol). Questa energia è equivalente a una potenza di 200 watt-ora per mole di metanolo o meglio, 5,0 kWattora per ogni litro di metanolo impiegato. Volendo fare un rapporto, l’ossidazione di un litro di metanolo in una cella a combustibile porterebbe alla produzione di oltre 5.000 W di potenza per un periodo di 24 ore.
Foto dal comunicato stampa Progetto H2-Ecomat – Università di Milano-Bicocca
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