Fuel cell: le celle a combustibile avanzano, anche grazie alla ricerca

Indice degli argomenti:

• I numeri in crescita delle celle a combustibile
• Fuel cell: cosa sono e come funzionano
• I vantaggi dell’impiego delle celle a combustibile nel trasporto stradale, navale e aereo
• Fuell cell e ricerca: le ultime promettenti novità

Le fuel cell hanno promettenti sviluppi su terra, mare, cielo: dai camion alle navi agli aerei. Così si fa spazio una tecnologia che si candida a essere il terzo elemento trainante della mobilità del domani e un elemento utile per la decarbonizzazione dei trasporti. “In futuro avremo un mix di opzioni: combustione, celle a combustibile e batterie”, ha ipotizzato Celia Greaves, direttore generale della UK Hydrogen and Fuel Cell Association. “Ognuna avrà i suoi vantaggi e svantaggi in particolari applicazioni”.

La sua affermazione profetica è stata riportata dal Financial Times in un articolo recente in cui si riportano diversi casi che confermano lo sviluppo della tecnologia fuel cell. La sua crescita viene stimata esponenziale nei prossimi anni: secondo Grand View Research il mercato mondiale, valutato 4,1 miliardi di dollari nel 2020, prevede un CAGR del 23,2% fino al 2028.

Se l’interesse e l’applicabilità delle fuel cell incrementeranno, lo dovranno in buona parte alla ricerca. I progressi si segnalano un po’ in tutto il mondo e negli ultimi mesi i risultati di alcuni studi hanno mostrato promettenti miglioramenti tecnologici.

I numeri in crescita delle celle a combustibile

Il Dipartimento dell’Energia statunitense (DOE) ha registrato tra il 2016 e il 2019, un aumento delle vendite di celle a combustibile. Sebbene la crescita appare modesta – si è passati da 62mila a 70mila unità all’anno – la potenza totale delle unità spedite è più che raddoppiata, passando da 500 MW nel 2016 a oltre 1,1 GW nel 2019.

Anche la Fuel Cells and Hydrogen Observatory registra l’incremento di interesse verso questa tecnologia: dopo gli effetti della pandemia globale del 2020, il settore delle celle a combustibile e dell’idrogeno ha registrato una forte ripresa. Nel 2021 si è registrato un aumento del 75,7% nel numero di spedizioni di sistemi a celle a combustibile, per un totale di 2.330,4 MW.

La domanda di brevetti è anch’essa in aumento: da un recente report della Organizzazione mondiale per la proprietà intellettuale (WIPO) tra il 2016 e il 2020, il deposito di domande di brevetto nel settore delle celle a combustibile a idrogeno ha fatto segnare un +23,4%. A trainare la richiesta di brevetti domina la Cina, con 7.261 domande, pari al 69% del totale, seguiti da Giappone (1.186 domande, 11,3% del totale), Germania (646, 6,2%), Repubblica di Corea (583, 5,6%) e Stati Uniti (403, 3,8%).

Fuel cell: cosa sono e come funzionano

La tecnologia di base delle fuel cell ha quasi due secoli di storia. L’invenzione risale al 1838, allo scienziato inglese William Grove. Per la sua prima applicazione significativa occorre attendere agli anni Sessanta del XX secolo quando la Nasa la usò per l’alimentazione di veicoli spaziali.

Ma cosa sono le fuel cell e come funzionano? Sono dispositivi elettrochimici capaci di convertire l’energia chimica in energia elettrica tramite un processo a temperatura costante che prevede l’impiego dell’idrogeno combinato a ossigeno per formare acqua. Il principio è simile a quello delle batterie, ma non si esauriscono e non devono essere ricaricate. Producono elettricità e calore finché viene fornito il combustibile.

Una cella a combustibile è costituita da due elettrodi, uno negativo (anodo) e uno positivo (catodo), avvolti da un elettrolita. L’idrogeno viene fornito all’anodo, l’ossigeno al catodo. In una cella a combustibile a idrogeno, un catalizzatore all’anodo separa le molecole di idrogeno in protoni ed elettroni, che prendono strade diverse verso il catodo. Gli elettroni passano attraverso un circuito esterno, creano un flusso di elettricità. I protoni migrano attraverso l’elettrolita fino al catodo, dove si uniscono all’ossigeno e agli elettroni per produrre acqua e calore.

I vantaggi dell’impiego delle celle a combustibile nel trasporto stradale, navale e aereo

L’opportunità di utilizzare le celle a combustibile per l’automotive sono al vaglio. Intanto però è nel trasporto pesante che si stanno segnalando le più importanti manovre. Una delle più recenti vedono al centro Toyota: la Casa giapponese ha in programma nel 2023 il lancio di camion a idrogeno fuel-cell per il mercato giapponese. Volvo, invece, ha testato a giugno in pista di prova i propri autoarticolati a celle a combustibile a idrogeno, contando di immetterli sul mercato tra il 2026 e il 2030. Si parla di un’autonomia di 1000 km a fronte di un tempo assai rapido di rifornimento: meno di 15 minuti.

Tra l’altro, l’impiego di questa tecnologia appare decisamente più conveniente: uno studio dell’ICCT – International Council on Clean Transportation evidenzia che gli autoarticolati a celle a combustibile hanno un’efficienza energetica superiore del 10%-12% rispetto agli autocarri diesel.

I camion a celle a combustibile a idrogeno potrebbero competere con i veicoli a motore diesel in termini di costo totale di proprietà entro il 2030, ha dichiarato a S&P Global Platts il responsabile della nuova ingegneria energetica del produttore di motori e generatori Cummins.

Le applicazioni a lungo termine più interessanti delle celle a combustibile potrebbero essere nel settore aereo. Le aziende aerospaziali di tutto il mondo stanno lavorando a progetti di sviluppo paralleli per bruciare l’idrogeno in motori a reazione modificati e per utilizzare il gas nelle celle a combustibile. Ma anche il settore navale sta ragionando sulle opportunità fornite dalle fuel cell a idrogeno. ABB e il fornitore di celle a combustibile Ballard Power Systems hanno ricevuto l’approvazione ufficiale dalla società DNV per il loro concept di celle a combustibile ad alta potenza, raggiungendo un traguardo “importante” nello sviluppo di una nuova tecnologia per le navi.

Fuell cell e ricerca: le ultime promettenti novità

Sui futuri sviluppi delle fuel cell lavora la ricerca. I ricercatori dell’Università di Scienza e Tecnologia di Hong Kong (HKUST) hanno sviluppato una nuova cella a combustibile a idrogeno che si presenta come la più durevole al mondo, secondo i protocolli di prova del DOE. Non solo: promette di essere anche la più economica. La cella a combustibile a idrogeno è una promettente opzione energetica pulita. Tuttavia, i vantaggi ambientali e gli anni di sviluppo non sono bastati a far sì che le celle a combustibile a idrogeno fossero ampiamente commercializzate.  Questo perché dipende in larga misura da un elettrocatalizzatore costituito in gran parte dal platino, metallo raro e molto costoso (il prezzo attuale è di 27 dollari al grammo). Gli scienziati hanno cercato di sviluppare alternative, che finora si sono dimostrate inefficienti. Ed è qui che entra in campo la scoperta fatta dal team di ricerca del Dipartimento di Ingegneria Chimica e Biologica dell’HKUST. La formula del materiale messo a punto non solo è in grado di ridurre dell’80% la percentuale di platino utilizzata, ma permette di stabilire un record in termini di durata della cella.

Infatti, il nuovo catalizzatore ibrido sviluppato dal team, nonostante la bassa percentuale di platino, è riuscito a mantenere l’attività catalitica del platino al 97% dopo 100mila cicli di stress test accelerato, rispetto al catalizzatore attuale che normalmente vede un calo delle prestazioni di oltre il 50% dopo 30mila cicli.

C’è un altro studio promettente: una nuova ricerca condotta dalla Università di Buffalo e pubblicata su Nature Energy, mette in evidenza l’impiego del ferro combinato con l’azoto e il carbonio può produrre un catalizzatore efficiente, durevole e poco costoso.

Per riuscirci, il team di scienziati ha legato quattro atomi di azoto al ferro e hanno poi incorporato il materiale in alcuni strati di grafene con un accurato controllo atomico delle strutture geometriche e chimiche locali. Le sue prestazioni ne fanno il più efficiente catalizzatore a base di ferro prodotto finora.

Infine, va segnalata anche un’altra ricerca che mette in luce le proprietà di una spezia finora conosciuta in cucina: la curcuma. Essa contiene un estratto che potrebbe portare a celle a combustibile più sicure ed efficienti.

I ricercatori dell’istituto statunitense Clemson Nanomaterials Institute e un team di ricerca dello Sri Sathya Sai Institute of Higher Learning in India hanno scoperto un modo nuovo di combinare la curcumina – la sostanza contenuta nella curcuma – e le nanoparticelle d’oro per creare un elettrodo che richiede un’energia cento volte inferiore per convertire efficacemente l’etanolo in elettricità. Anche se il team di ricerca deve effettuare ulteriori test, la scoperta potrebbe portare a un passo dalla sostituzione dell’idrogeno come materia prima delle celle a combustibile.

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