Celle a combustibile: la svolta per l’energia elettrica sostenibile
Oggigiorno, di tecnologie che generino energia in modo sostenibile ne vengono progettate sempre più.
Nel campo delle rinnovabili, le più popolari sono l’eolico e il fotovoltaico.
Tuttavia, ce n’è una -le celle a combustibile– che rappresenta una vera e proprio svolta: sia dal punto di vista tecnologico che della resa.
Questo sistema, basato su un funzionamento simile a quello delle batterie, disegna una rivoluzione nel modo di generare energia elettrica a ridotto impatto ambientale.
In questo articolo, scopriremo come funzionino e quali competenze servano per gestire questi sistemi di celle a combustibile.
Credi possa essere difficile occuparsi di una simile tecnologia?
Nessun problema: da tempo attiva in tema di formazione, Mekhan mette a disposizione le proprie attrezzature didattiche -marchio proprio, LN e Gunt– per corsi basati su un modello laboratoriale.
Scuole, università ed enti di formazione possono erogare percorsi di formazione in ingegneria elettrica, rinnovabili e altre discipline stem con attrezzature che simulano il funzionamento dei sistemi e dei modelli tecnologici usati in un’ottica di Learning by doing.
Celle a combustibile: una tecnologia da ingegnere elettrico
Tecnologie come le celle a combustibile, dette anche pile a combustibile, sono una bella sfida per i nuovi ingegneri elettrici.
Sistemi del genere vengono elaborati proprio perché si sente la necessità di ricavare energia con impianti tecnologici che risultino sostenibili per l’ambiente.
Perché questi strumenti possano essere progettati, perfezionati e manutenuti servono, appunto, degli
ingegneri elettrici ben formati.
Ma su cosa si basa il funzionamento delle celle a combustibile?
Perché le pile a combustibile sono un’alternativa valida ai modelli energetici tradizionali?
Le celle a combustibile vogliono, prima di tutto, offrire qualcosa di diverso e di più sostenibile rispetto ai tradizionali sistemi energetici.
Non soltanto a quelli che si servono dei i combustibili fossili, ma anche a quelli più all’avanguardia, come l’eolico e il fotovoltaico.
Ma in che modo questo sistema riesce a ricavare energia elettrica?
Lo fa attraverso un processo elettrochimico che, di solito, sfrutta idrogeno e ossigeno per ottenere una reazione.
Inizialmente, avevamo paragonato le celle a combustibile a una specie di batteria: infatti sono spesso indicate come “pile a combustibile o “batterie del futuro”.
Ma se le batterie hanno giù all’interno dell’energia immagazzinata, e devono semplicemente erogarla; le celle a combustibile la producono sì a partire da un carburante, ma con un processo pulito e del tutto rispettoso verso l’ambiente.
Un flusso continuo di risorse per la generazione di energia
La pila classica è un sistema chiuso che lavora servendosi di risorse interne limitate. Una volta esaurite, si è costretti a ricaricare il dispositivo oppure a sostituirlo.
Questo discorso non vale, invece, per le pile a combustibile, le quali fondano il loro funzionamento su un flusso continuo di risorse che arrivano dall’esterno.
Questo fa sì che possano lavorare all’infinito, ricavando sempre carburante per i processi di generazione dell’energia.
Da un certo punto di vista, si usa paragonarle a dei generatori di potenza. Tuttavia, rispetto a questi ultimi, presentano una differenza fondamentale che ora vi spiegheremo.
Produrre energia senza combustione con i combustibili gassosi della cella a combustibile: idrogeno e ossigeno
La differenza rispetto ai generatori di potenza sta proprio qui.
La maggior parte di essi, così come i sistemi classici di produzione dell’energia, lavora con processi di combustione, che si dimostrano impattanti per l’ambiente.
Questo processo causa il rilascio nell’aria di agenti nocivi: quello che conosciamo col nome di effetto serra.
Le celle a combustione, invece, generano energia con a un processo elettrochimico che si serve di alcuni materiali reagenti.
Di solito, si impiegano combustibili gassosi o liquidi –idrazina, idrocarburi o idrogeno- e poi di aria o ossigeno gassoso per il processo di ossidazione.
Lavorano a regimi molto silenziosi, producendo soltanto acqua pura e calore come materiale di scarto.
Si dimostrano enormemente ecologici: si stanno escogitando addirittura metodi che consentano di ottimizzarne le prestazioni, recuperando il calore rilasciato.
Come funzionano le celle a combustibile? La reazione fra ossigeno e idrogeno
Non ci addentreremo in dettagli troppo tecnici. Utile, però, comprendere le basi del funzionamento generale di questi apparecchi.
La produzione di energia da parte delle celle a combustibile si fonda sull’energia chimica presente nel materiale reagente: questa viene convertita in energia elettrica. Di solito, grazie alla reazione ottenuta fra ossigeno e idrogeno.
Generalmente, l’impianto è composto da tre elementi principali:
- Sistema di alimentazione del combustibile, necessario per fornire la materia per il processo di generazione dell’energia;
- Innescatore di potenza, imprescindibile perché predispone un’uscita continua di energia elettrica alla
potenza desiderata; - Meccanismo di conversione, immancabile per convertire l’energia in modo che possa alimentare una determinata applicazione.
Quali sono gli elementi di una pila a combustibile? Le celle a combustibile più comuni sono a scambio protonico
Di celle a combustibile ce ne sono diverse.
Le più comuni sono senz’altro quelle con combustibile a scambio protonico, che utilizzano, appunto, un combustibile a idrogeno per i suoi processi di generazione dell’energia.
Tuttavia, a prescindere dal modello e da quale materiale venga utilizzato per costituire i diversi strati, le componenti che avranno sono le seguenti:
Come una cella a combustibile genera elettricità?
Queste parti -soprattutto i catalizzatori– sono considerate il cuore della cella a combustibile. È grazie a questi elementi che avviene il processo di produzione di energia.
Anodo e catodo sono responsabili del fenomeno di ossidoriduzione necessario per la produzione
dell’energia: idrogeno e ossigeno vengono consumati con la conseguente produzione di acqua.
Importante è la membrana posta fra i due strati catalitici, che consente alle particelle caricate positivamente di passare da un lato all’altro dello strato catalitico, bloccando, allo stesso tempo, il flusso delle particelle caricate negativamente.
Gli strati di gas provvedono a diffondere il materiale gassoso derivante dal processo chimico; rimuovono l’acqua prodotta e ne lasciano un po’.
La ritenzione idrica è infatti necessaria per mantenere la conduttività della membrana, mentre il rilascio della stessa permette all’idrogeno di diffondersi più facilmente negli elettrodi.
Il successo delle celle a combustibile
In una società sempre più attenta a risultati di sostenibilità ed efficientamento energetico, le celle a combustibile hanno registrato un grandissimo successo in diversi settori.
Su tutti, quello dei trasporti -alimentando camion, ferrovie e navi marittime- dei servizi pubblici e dei data center di ospedali e università.
La loro applicazione ha portato a ottimi risultati anche nei settori spaziale e militare. Rappresentano una soluzione ottimale, inoltre, per quanto riguarda la generazione simultanea di energia termica ed elettrica negli edifici.
Celle a combustibile: un settore in espansione che ha bisogno di esperti per essere padroneggiato
Non è un caso che ci si riferisca con espressioni entusiastiche a questa nuova forma di produzione dell’energia: si dipingono le celle a combustibile come “le batterie del futuro”.
Negli ultimi anni, sono stati fatti notevoli progressi, implementando potenza ed efficienza.
Fino a vent’anni fa, l’idea di poter alimentare semirimorchi con le celle a combustibile sembrava quasi un’idea da film di fantascienza, mentre adesso è già realtà.
Da un punto di vista puramente teorico, il sistema delle celle combustibili permetterebbero di raggiungere livelli di potenza ancora più elevati, grazie a un sistema modulare che unisce diverse unità fondamentali.
Questa cosa potrebbe essere utile in futuro per migliorare l’efficientamento energetico e alimentare in modo sostenibile apparecchi come i motori AI, che si nutrono di sistemi di data center incredibilmente energivori.
Per questo serviranno esperti in tema di energia: soprattutto in ingegneria elettrica.
Diventare esperti in celle a combustibile grazie agli strumenti didattici Mekhan
Grazie ai suoi partner LN e Gunt, Mekhan dispone di strumenti laboratoriali all’avanguardia per una formazione professionale di alto livello in varie materie stem.
Per scuole ed enti di formazione che vogliano formare i professionisti del futuro, una formazione di tipo laboratoriale -che alla teoria sappia unire la pratica- è la strada considerata più sicura.
La tecnologia è in continua evoluzione e capirne il funzionamento sul campo può aiutare ad acquisire quella dimestichezza tecnica imprescindibile per gli ingegneri e gli esperti energetici di domani.
Diversi strumenti -marchio nostro e dei nostri partner- che permettono di studiare da vicino le pile a combustione, in tutta sicurezza, con dei modelli in miniatura.
- ET 278 della Gunt: permette di studiare la conversione dell’energia elettrica in idrogeno. La tecnologia di cui si avvale è quella con membrana a scambio protonico (PEM), che scompone l’acqua in idrogeno e in ossigeno, mentre la tensione di cella viene fornita da un elettrolizzatore;
- EHY 2 Advanced della LN: consente di studiare tutte le regole e le discipline relative alle celle a combustibile, con un approfondimento verso il settore logistico e automotive. Il sistema dei pannelli didattici offre uno approfondito dei meccanismi di conversione dell’idrogeno in elettricità.
