Come Autoprodurre Energia Con Le Celle A Combustibile

1. Le Celle A Combustibile Come Generatori Elettrici

Le celle a combustibile rappresentano oggi una delle tecnologie più promettenti per la produzione decentralizzata e sostenibile di energia elettrica. Il principio su cui si basano è quello della conversione elettrochimica: a differenza dei motori a combustione interna, che bruciano un combustibile per produrre calore e trasformarlo poi in lavoro meccanico ed elettrico, le celle a combustibile combinano idrogeno e ossigeno in un processo silenzioso, continuo e altamente efficiente, producendo come unici sottoprodotti calore e acqua.

L’efficienza di conversione elettrica delle celle a combustibile si attesta intorno al 30-40% per i sistemi a bassa temperatura (come le celle PEM), ma può salire fino al 60% in sistemi ad alta temperatura (come le celle SOFC), mentre se si recupera anche il calore prodotto, l’efficienza complessiva può arrivare e superare l’85%. Si tratta quindi di una tecnologia che permette di massimizzare l’uso dell’energia contenuta nel combustibile, con vantaggi sia economici che ambientali.

L’analogia spesso fatta con i computer portatili non è casuale: le celle a combustibile, infatti, rendono possibile la produzione elettrica decentralizzata, indipendente e modulabile. Come i computer portatili hanno affrancato l’utente dalla scrivania, le celle a combustibile promettono di rendere il cittadino sempre meno dipendente dalla rete elettrica nazionale. In ambito residenziale, questa visione si sta concretizzando grazie a micro-cogeneratori domestici in grado di produrre simultaneamente elettricità e calore, riducendo le emissioni di CO₂ e migliorando l’autonomia energetica.

Inoltre, la produzione è scalabile: dalle celle di piccola taglia per applicazioni portatili o domestiche, fino a sistemi industriali e impianti centralizzati. Questo rende la tecnologia flessibile e adatta a moltissimi scenari, dalla mobilità elettrica alla generazione locale di energia.

 

2. I Combustibili Utilizzabili Per Alimentare Una Cella

La fonte di energia primaria di una cella a combustibile è l’idrogeno. Questo elemento, il più leggero e abbondante dell’universo, non esiste in natura in forma libera sulla Terra, ma deve essere ricavato da composti che lo contengono. È proprio la sua estrazione la principale sfida tecnologica ed economica per la diffusione delle celle a combustibile.

Il metodo più diretto e pulito per ottenere idrogeno è l’elettrolisi dell’acqua, un processo che utilizza energia elettrica per separare le molecole di H₂O in idrogeno e ossigeno. Se l’energia elettrica impiegata deriva da fonti rinnovabili (come un impianto fotovoltaico o eolico), l’idrogeno prodotto è definito “verde” e consente di ottenere un ciclo a zero emissioni. In questo contesto, la cella a combustibile può agire da “batteria” a idrogeno, immagazzinando l’energia solare sotto forma chimica e restituendola all’occorrenza, anche di notte o in assenza di sole o vento.

Tuttavia, la produzione di idrogeno da elettrolisi rappresenta attualmente solo una piccola percentuale dell’idrogeno disponibile sul mercato (circa il 4%). La maggior parte dell’idrogeno viene ancora oggi prodotto tramite reforming del gas naturale, processo che, se non accompagnato da sistemi di cattura e stoccaggio della CO₂ (CCS), comporta emissioni climalteranti. Questo idrogeno è detto “grigio”, oppure “blu” se le emissioni vengono abbattute e stoccate.

Tra i combustibili utilizzabili per il reforming ci sono:

• Gas naturale (CH₄): il più utilizzato, disponibile tramite la rete del metano;
• Biogas: prodotto dalla fermentazione di rifiuti organici o biomasse;
• Metanolo: liquido a temperatura ambiente, facilmente trasportabile e utilizzabile direttamente da alcune celle;
• Benzina o GPL: raramente impiegati, ma possibili in alcune configurazioni sperimentali.

Alcune celle a combustibile, come le celle a ossido solido (SOFC) o a carbonati fusi (MCFC), sono in grado di eseguire il reforming internamente e accettare combustibili complessi. Altre, come le PEM, necessitano di idrogeno puro e quindi richiedono un sistema di reforming esterno.

Infine, occorre ricordare che l’idrogeno può essere prodotto anche localmente, in ambito domestico o aziendale, con piccoli elettrolizzatori alimentati da energia solare, costituendo una forma di accumulo stagionale, se abbinato a idonei sistemi di stoccaggio.

 

3. La Produzione Di Calore Con Le Celle A Combustibile

Oltre all’elettricità, le celle a combustibile producono una notevole quantità di calore. Questa energia termica, che nei sistemi convenzionali andrebbe persa, può essere recuperata e utilizzata per il riscaldamento degli ambienti e per la produzione di acqua calda sanitaria.

In un’abitazione media, l’energia richiesta per il riscaldamento dell’acqua rappresenta circa il 20-30% del consumo energetico totale. Utilizzare il calore prodotto dalla cella a combustibile consente quindi una significativa ottimizzazione dell’efficienza globale del sistema.

Il trasferimento di calore avviene tramite scambiatori termici, spesso integrati nei cogeneratori domestici. Nei sistemi a bassa temperatura (come le celle PEM), l’acqua può essere riscaldata fino a circa 60-70 °C, sufficiente per la maggior parte degli impieghi domestici. Nei sistemi ad alta temperatura (SOFC o MCFC), si possono raggiungere anche i 100-200 °C, utili per alimentare circuiti di riscaldamento ad alta efficienza o processi industriali leggeri.

Rispetto ai motori a combustione, i sistemi a celle a combustibile non generano monossido di carbonio (CO) in quantità pericolose, né ossidi di azoto (NOx), e il calore prodotto è continuo, prevedibile e facilmente gestibile.

Questa capacità di fornire sia elettricità che calore con un’unica macchina prende il nome di cogenerazione (o CHP, Combined Heat and Power). In ambito domestico, l’adozione di micro-cogeneratori può portare a un risparmio annuo significativo sia sulla bolletta elettrica che su quella del gas, oltre che a un abbattimento delle emissioni di CO₂ dell’ordine del 30-50% rispetto a soluzioni tradizionali.

 

4. I Vantaggi Dei Cogeneratori A Celle A Combustibile

I vantaggi offerti dai cogeneratori a celle a combustibile sono numerosi e si estendono su diversi piani: energetico, ambientale, economico e persino acustico.

1. Efficienza elevata: come già detto, il rendimento complessivo può superare l’85%. Nessuna centrale termoelettrica tradizionale raggiunge questi valori, e neppure un impianto fotovoltaico, che ha un’efficienza intorno al 20% (anche se con zero emissioni).
2. Riduzione delle perdite di trasmissione: produrre elettricità nel luogo di consumo consente di evitare le perdite di energia tipiche del trasporto lungo le linee ad alta tensione, che ammontano al 7-8%.
3. Continuità di produzione: al contrario delle fonti rinnovabili intermittenti, come sole e vento, le celle a combustibile possono funzionare in modo continuo, garantendo una produzione stabile e programmabile, indipendentemente dalle condizioni meteorologiche o dall’ora del giorno.
4. Riduzione delle emissioni: rispetto a una caldaia e a una rete elettrica alimentata da fonti fossili, il sistema a celle a combustibile produce meno anidride carbonica per ogni kWh di energia utile, specialmente se alimentato da biometano o idrogeno verde.
5. Silenziosità: un generatore a celle a combustibile è quasi silenzioso. Il rumore emesso è generalmente inferiore ai 40 dB, equivalente a quello di un frigorifero. Questo lo rende adatto anche a installazioni in ambito residenziale, alberghiero o rurale.
6. Modularità: è possibile installare sistemi di potenza variabile, a seconda del fabbisogno. Per una casa bastano anche 700 W elettrici continui, mentre per piccole attività si possono raggiungere potenze di 2–5 kW.

Infine, dal punto di vista della manutenzione, le celle a combustibile, non avendo parti in movimento come motori o pistoni, richiedono interventi ridotti, il che si traduce in maggiore affidabilità nel tempo.

 

5. Come Funziona Una Semplice Cella A Combustibile

Il cuore di un sistema a celle a combustibile è il modulo elettrochimico. Nella variante più diffusa – la cella a membrana a scambio protonico (PEM, Proton Exchange Membrane) – l’idrogeno viene convertito in elettricità secondo il seguente schema:

1. Reforming (se alimentata a metano): il gas naturale viene trattato con vapore ad alta temperatura (circa 800 °C) in presenza di un catalizzatore (es. nichel, platino o sue leghe) per separare l’idrogeno dalla molecola di CH₄. Il risultato è un flusso di H₂ e CO₂.
2. Separazione dell’idrogeno: l’idrogeno puro viene convogliato nella cella vera e propria, mentre gli altri gas vengono eliminati o utilizzati in altre fasi del processo.
3. Reazione elettrochimica: l’idrogeno, entrando nell’anodo, si dissocia in protoni ed elettroni. I protoni attraversano una membrana polimerica speciale (di solito in nafion, un materiale sviluppato dalla DuPont), mentre gli elettroni generano una corrente elettrica lungo un circuito esterno.
4. Ricombinazione: al catodo, protoni ed elettroni si ricombinano con l’ossigeno (presente nell’aria), formando acqua e liberando calore.

Il componente centrale del sistema è il MEA (Membrane Electrode Assembly), che racchiude la membrana e i catalizzatori. Il MEA è organizzato in stack, ossia pile di celle collegate in serie, ognuna delle quali contribuisce alla tensione totale.

Per alimentare le utenze domestiche, la corrente continua (DC) prodotta dalla cella viene convertita in corrente alternata (AC) tramite un inverter, simile a quello degli impianti fotovoltaici.

 

6. Conclusione: Un’Ottima Soluzione Per L’Autonomia Energetica

Autoprodurre energia con le celle a combustibile è già oggi tecnicamente possibile e, in alcuni contesti, anche economicamente conveniente. I cogeneratori domestici, sebbene non ancora largamente diffusi in Italia, sono una realtà consolidata in Paesi come Giappone, Corea del Sud e Germania, dove le politiche di incentivo e le reti del gas ben sviluppate hanno favorito la penetrazione di questa tecnologia.

In Italia, dal 2024, l’installazione di micro-cogeneratori a celle a combustibile può rientrare nelle detrazioni fiscali per l’efficienza energetica (Bonus Casa o Ecobonus 50–65%), rendendo l’investimento più accessibile. Inoltre, l’idrogeno verde è uno dei pilastri del Green Deal europeo e del piano REPowerEU, con obiettivi ambiziosi al 2030.

La transizione verso un sistema energetico più sostenibile e decentralizzato passa anche da qui: dalle case capaci di generare la propria energia elettrica e termica in modo silenzioso, pulito e continuo, sfruttando tecnologie avanzate come le celle a combustibile. E con il giusto supporto normativo e tecnico, questa prospettiva può diventare una realtà alla portata di tutti.