Come Produrre Energia Elettrica Con L’idrogeno

1. Le Celle A Combustibile Alimentate A Idrogeno

L’idrogeno rappresenta oggi una delle soluzioni più promettenti per la produzione di energia pulita e sostenibile, soprattutto quando viene usato per alimentare celle a combustibile. Questi dispositivi, che stanno progressivamente trovando spazio sia in applicazioni mobili che stazionarie, trasformano l’energia chimica dell’idrogeno direttamente in energia elettrica, producendo come unici “scarti” acqua pura e calore.

Il principio di funzionamento è in sostanza l’inverso dell’elettrolisi: mentre quest’ultima impiega energia elettrica per scindere l’acqua in idrogeno e ossigeno, la cella a combustibile sfrutta l’idrogeno (H₂) come combustibile e lo fa reagire con l’ossigeno (O₂) dell’aria in un processo elettrochimico. Il risultato? Corrente elettrica continua (DC), acqua (H₂O) e calore.

In una cella a combustibile, l’anodo (carico negativamente) è il punto in cui l’idrogeno si separa in protoni ed elettroni. I protoni attraversano una membrana elettrolitica (PEM), mentre gli elettroni sono costretti a percorrere un circuito esterno, generando elettricità. Infine, al catodo (carico positivamente), protoni ed elettroni si ricombinano con l’ossigeno formando acqua. Il processo è continuo e silenzioso, e non richiede alcun tipo di combustione.

Una cella a combustibile funziona bene solo se alimentata con idrogeno di elevata purezza. Questo idrogeno può essere prodotto in due modi principali:

1. Da fonti rinnovabili, tramite elettrolisi dell’acqua alimentata da impianti fotovoltaici, eolici o idroelettrici. Questo è l’idrogeno “verde”.
2. Da combustibili fossili, come il metano, attraverso un processo chiamato reforming. Questo è l’idrogeno “grigio” o “blu”, se abbinato a cattura della CO₂.

La semplicità del concetto si scontra però con la complessità tecnologica e ingegneristica del sistema. La ricerca sulle celle a combustibile ha fatto enormi progressi negli ultimi anni, portando a dispositivi più compatti, più duraturi e meno costosi. Ma le sfide, specialmente legate all’infrastruttura dell’idrogeno, restano significative.

 

2. Tipologie Di Celle A Combustibile E Loro Applicazioni

Le celle a combustibile non sono tutte uguali. A seconda del tipo di elettrolita, della temperatura operativa e del combustibile utilizzato, si distinguono diversi tipi di celle, ognuna con caratteristiche proprie e specifici ambiti di applicazione.

Celle PEM (Proton Exchange Membrane)

Sono le più diffuse nel settore della mobilità e delle applicazioni residenziali. Funzionano a basse temperature (60–80 °C), hanno tempi di avvio rapidi e un’alta densità di potenza. Sono alimentate con idrogeno puro, hanno un ciclo di vita relativamente breve rispetto ad altre tipologie e richiedono idrogeno molto puro per evitare il degrado della membrana.

Celle AF (Alkaline Fuel Cell)

Utilizzano una soluzione alcalina come elettrolita (tipicamente idrossido di potassio). Furono ampiamente impiegate nei programmi spaziali (come il programma Apollo) ma oggi sono meno comuni a causa della sensibilità alla CO₂ e delle complicazioni legate alla gestione dell’elettrolita.

Celle PAFC (Phosphoric Acid Fuel Cell)

Funzionano a temperature intermedie (circa 200 °C) e tollerano combustibili meno puri, rendendole adatte all’uso stazionario in edifici, ospedali o impianti industriali. Hanno una buona efficienza elettrica e termica, ma tempi di avvio lunghi e dimensioni relativamente grandi.

Celle MCFC (Molten Carbonate Fuel Cell)

Operano a temperature elevate (600–700 °C) e possono utilizzare direttamente gas naturale o biogas, grazie a processi di reforming interni. Sono adatte a grandi impianti di cogenerazione (CHP) e offrono elevata efficienza e tolleranza a combustibili “sporchi”, ma hanno problemi di durata e corrosione dei componenti.

Celle SOFC (Solid Oxide Fuel Cell)

Anche queste operano ad alta temperatura (800–1000 °C) ma utilizzano un elettrolita solido in ceramica. Sono estremamente efficienti, compatibili con un’ampia varietà di combustibili e ideali per applicazioni stazionarie, ma richiedono materiali costosi e tempi di avvio lunghi.

La Scelta Del Tipo Di Cella

La selezione della tecnologia più adatta dipende da molti fattori: potenza richiesta, tipo di combustibile disponibile, spazio, esigenza di continuità, tempi di avvio, necessità di cogenerazione. Per le auto elettriche, la scelta ricade quasi esclusivamente sulle celle PEM. Per gli impianti domestici, le soluzioni a PAFC, SOFC e MCFC sono in crescita, specialmente dove si vuole produrre simultaneamente energia elettrica e calore.

 

3. Le Celle A Combustibile A Gas Naturale: Un Compromesso Realistico

L’idrogeno “puro” è difficile da trasportare e immagazzinare, per questo motivo una parte significativa delle celle a combustibile oggi in uso utilizza il gas naturale come fonte primaria, trasformandolo in idrogeno attraverso processi di reforming.

Il gas naturale (CH₄), disponibile tramite le reti urbane, è sottoposto a reforming catalitico con vapore (steam methane reforming, SMR) che consente di ricavare idrogeno e anidride carbonica. Il gas così trattato viene poi purificato e alimentato alla cella a combustibile. Anche se questo processo genera CO₂, la quantità emessa è inferiore rispetto alla combustione diretta del metano, e l’efficienza elettrica complessiva può superare il 60%, mentre l’efficienza globale (con recupero termico) può superare l’85%.

In ambito domestico e aziendale, esistono già in commercio microcogeneratori (chiamati anche CHP – Combined Heat and Power) a celle a combustibile alimentati a metano. Alcuni modelli offrono potenze tra 0,7 e 2 kW elettrici, e fino a 2-4 kW termici, sufficienti per coprire una parte significativa del fabbisogno energetico di una famiglia o di una piccola attività.

In Paesi come Giappone e Corea del Sud, la diffusione di sistemi residenziali a celle a combustibile (es. Panasonic Ene-Farm) ha già raggiunto le centinaia di migliaia di installazioni. In Europa, progetti come PACE (Pathway to a Competitive European Fuel Cell micro-Cogeneration market) stanno promuovendo l’adozione di questi sistemi anche in Italia e Germania.

 

4. Un Generatore Domestico A Celle A Combustibile: Come Funziona

Un sistema a celle a combustibile domestico è più di una semplice pila elettrochimica. Si tratta di un impianto integrato composto da vari sottosistemi progettati per operare in modo sinergico ed efficiente.

1. Modulo Di Reforming

Nel caso di utilizzo di gas naturale, il primo stadio è quello del reforming: qui il metano viene fatto reagire con vapore ad alta temperatura in presenza di un catalizzatore per ottenere idrogeno. Questo processo può essere interno (nelle celle ad alta temperatura) o esterno (nelle celle PEM).

2. Sezione Elettrochimica

L’idrogeno purificato viene introdotto nella pila di celle a combustibile, dove reagisce con l’ossigeno atmosferico per generare elettricità in corrente continua. L’efficienza di conversione può superare il 50% per l’energia elettrica, e il calore prodotto viene recuperato per riscaldare l’acqua sanitaria o l’ambiente.

3. Inverter E Batteria

Come in un impianto fotovoltaico, è presente un inverter che converte la corrente continua (DC) in corrente alternata (AC), compatibile con la rete domestica. In alcuni sistemi avanzati, l’elettricità prodotta può essere immagazzinata in una batteria per un utilizzo differito.

4. Sistema Di Gestione Termica

La cella a combustibile genera calore in modo costante e prevedibile. Per questo motivo è integrata con uno scambiatore di calore, pompe e ventole che permettono di utilizzare il calore per la produzione di acqua calda sanitaria o per il riscaldamento a bassa temperatura.

5. Controllo E Supervisione

L’intero sistema è gestito da un’unità di controllo elettronica che monitora le condizioni operative, ottimizza il rendimento e garantisce sicurezza e continuità. Nei sistemi più moderni, l’interfaccia utente è accessibile via app o display touch.

Questi sistemi sono pensati per funzionare in continuo, seguendo il carico della casa. Possono operare in parallelo con la rete elettrica oppure in modalità off-grid, quando abbinati a un accumulo adeguato.

 

5. Elettrolizzatori In Commercio: Come Produrre Idrogeno In Casa

Se da un lato è possibile alimentare una cella a combustibile con gas naturale, dall’altro la produzione diretta di idrogeno tramite elettrolisi dell’acqua rappresenta la strada più sostenibile, specie se alimentata da fonti rinnovabili.

Gli elettrolizzatori sono dispositivi che, utilizzando corrente elettrica, separano l’acqua in idrogeno e ossigeno. Le tipologie più comuni includono:

• PEM (Proton Exchange Membrane): compatti, sicuri e ideali per impieghi residenziali. Operano a basse temperature, ma richiedono acqua deionizzata.
• Alcalini: tecnologia matura, più economica ma meno efficiente. Richiedono elettrolita liquido e hanno tempi di risposta più lenti.
• SOEC (Solid Oxide Electrolyzer Cells): ancora in fase di sviluppo commerciale, lavorano ad alta temperatura e promettono alta efficienza.

Gli elettrolizzatori commerciali si dividono in tre fasce principali:

1. Piccoli elettrolizzatori da laboratorio o didattici: producono 1 litro/min di H₂, ovvero circa 1 kg/settimana. Adatti a esperimenti, dimostrazioni, ricerca o per la ricarica occasionale di celle portatili.
2. Elettrolizzatori residenziali: possono generare 1 kg/giorno, sufficiente per alimentare una cella da 1 kW per diverse ore. Sono ideali per impianti off-grid o abitazioni dotate di fotovoltaico e batteria.
3. Elettrolizzatori industriali: producono centinaia di kg/giorno, funzionano in continuo e possono alimentare flotte di veicoli, stazioni di ricarica o processi produttivi.

Per dare un ordine di grandezza, 1 kg di idrogeno contiene circa 33 kWh di energia chimica. In una cella a combustibile con efficienza del 50%, si ottengono circa 16 kWh elettrici. Questo è sufficiente per coprire il fabbisogno giornaliero di un’abitazione media.

 

6. Considerazioni Finali E Prospettive Future

La produzione di energia elettrica con l’idrogeno tramite celle a combustibile non è più una tecnologia sperimentale, ma una realtà in forte espansione. Le soluzioni disponibili sul mercato sono molteplici, dai piccoli impianti residenziali ai grandi sistemi industriali, e l’abbinamento con fonti rinnovabili rende il ciclo ancora più sostenibile.

Tuttavia, la diffusione su larga scala richiede ancora:

• Una rete infrastrutturale adeguata per lo stoccaggio e il trasporto dell’idrogeno;
• Politiche incentivanti chiare e durature per la decarbonizzazione dei consumi domestici;
• Un abbattimento dei costi di produzione dell’idrogeno verde, ancora troppo elevati;
• Standard tecnici e regolamenti per l’integrazione sicura degli impianti domestici nella rete elettrica.

Nei prossimi anni, con l’evoluzione del quadro normativo europeo (es. Hydrogen Strategy EU), i costi in calo dell’elettrolisi e l’accresciuta sensibilità alla transizione energetica, le celle a combustibile diventeranno sempre più protagoniste del nuovo paradigma energetico.