Il panorama fiscale per i propulsori alternativi è cambiato dal 1° gennaio 2023. Le aziende possono ora richiedere crediti quando acquistano nuovi veicoli elettrici (EV) e veicoli elettrici a celle a combustibile (FCEV). È un incentivo tangibile che segnala dove i policy maker pensano che la strada stia andando.
Tuttavia, non si tratta di nuovi soldi per una nuova idea. La spinta per l’idrogeno è iniziata due decenni fa. Nel 2003, il presidente Bush annunciò l’Iniziativa per il combustibile a idrogeno durante il suo discorso sullo stato dell’Unione. La legislazione seguì rapidamente. L’Energy Policy Act del 2005 e l’Advanced Energy Initiative del 2006 hanno riversato sostegno federale nel settore. L’obiettivo era chiaro: rendere i veicoli a celle a combustibile pratici e convenienti entro il 2020.
L’interesse globale corrispondeva alla politica interna. L’Unione Europea, il Giappone e la Corea del Sud hanno collettivamente investito miliardi in ricerca e sviluppo. Vedono lo stesso potenziale.
Allora, cos’è una cella a combustibile? Perché i governi, le aziende private e il mondo accademico scommettono miliardi su questo?
La risposta sta nell’efficienza e nelle emissioni. Le celle a combustibile generano energia elettrica in modo silenzioso. Lo fanno senza inquinamento. A differenza dei motori a combustione interna che bruciano combustibili fossili, gli unici sottoprodotti di una cella a combustibile sono calore e acqua.
Come funzionano realmente le celle a combustibile a idrogeno
Per entrare nel tecnico: una cella a combustibile è un dispositivo di conversione dell’energia elettrochimica. Fu scoperto nel 1800. Il suo lavoro è semplice. Converte l’idrogeno e l’ossigeno in acqua. Nel processo, produce elettricità.
Hai più familiarità con l’altro importante dispositivo elettrochimico: la batteria.
Una batteria immagazzina tutte le sue sostanze chimiche all’interno di un’unità sigillata. Converte quelle sostanze chimiche in elettricità finché non si esauriscono. Una volta che la batteria “si scarica”, puoi buttarla via o collegarla per ricaricarla. L’energia è finita.
Una cella a combustibile funziona diversamente. Le sostanze chimiche fluiscono dentro la cellula costantemente. Finché vengono forniti idrogeno e ossigeno, l’elettricità fluisce fuori. Non muore. Non necessita di ricarica. Ha solo bisogno di carburante.
La maggior parte delle celle a combustibile in uso oggi fanno affidamento sull’idrogeno per l’anodo e sull’ossigeno dell’aria per il catodo. Questo flusso continuo è ciò che li separa dalle batterie. È la meccanica fondamentale che li rende utilizzabili per i trasporti pesanti e le applicazioni a lungo raggio in cui i tempi di inattività della ricarica rappresentano un collo di bottiglia.
La chimica del potere
Dimentica il calore e il rumore del tuo motore a combustione interna. Quei divoratori di gas bruciano carburante, facendo affidamento sui gas in espansione per spingere i pistoni. È meccanico. È disordinato. Le batterie sono diverse: immagazzinano semplicemente energia chimica e la rilasciano sotto forma di elettricità quando ne hai bisogno. Le celle a combustibile rappresentano l’approccio ibrido. Generano direttamente tensione CC, alimentando motori, luci ed elettronica senza la fase di combustione.
Ma non tutte le celle a combustibile sono uguali. Sono classificati in base all’elettrolita e alla temperatura operativa. Alcuni sono costruiti per griglie fisse. Altri sono pensati per la strada. Ecco come si accumulano le diverse sostanze chimiche.
Celle a combustibile con membrana elettrolitica polimerica (PEMFC)
Questo è quello che vedrai nelle auto a idrogeno. La cella a combustibile con membrana elettrolitica polimerica (PEMFC), spesso chiamata cella a combustibile con membrana a scambio protonico, funziona a freddo. Stiamo parlando di 60-80 gradi Celsius (140-176 °F).
Perché è importante? Tempo di riscaldamento. Poiché funziona a una temperatura così bassa, inizia a generare energia quasi istantaneamente. L’elevata densità di potenza lo rende ideale per i veicoli in cui spazio e peso sono importanti.
Celle a combustibile a ossido solido (SOFC)
Aumenta il calore e otterrai la cella a combustibile a ossido solido. Queste bestie operano tra 700 e 1.000 gradi Celsius. Non sono per la tua berlina. Sono per le fabbriche e le città.
Il caldo estremo è un’arma a doppio taglio. Da un lato, provoca la rottura delle parti durante i cicli termici: l’accensione e lo spegnimento sollecitano i materiali. D’altra parte, se li tieni in funzione continuamente, sono incredibilmente stabili. Infatti, le SOFC detengono il record di vita operativa in condizioni stazionarie.
Questa temperatura elevata offre anche un enorme aumento di efficienza. Il calore di scarto produce vapore, che può azionare le turbine per generare ancora più elettricità. Questa configurazione combinata di calore ed elettricità (CHP) spreme ogni minima energia dal carburante.
Celle a combustibile alcaline (AFC)
Vecchia scuola. La cella a combustibile alcalina è stata il cavallo di battaglia del primo programma spaziale statunitense. La NASA lo ha utilizzato per alimentare le navette e produrre acqua potabile a bordo.
È efficiente. Funziona alla grande. Ma è fragile. L’elettrolita alcalino è altamente suscettibile alla contaminazione. Se c’è della CO2 nell’aria, uccide la cellula. Hai bisogno di idrogeno puro e ossigeno puro. Questo requisito di purezza fa salire i costi a un punto tale che la commercializzazione è improbabile.
Celle a combustibile a carbonati fusi (MCFC)
Similmente ai SOFC nella loro applicazione stazionaria, gli MCFC funzionano a temperature superiori a 600 gradi Celsius. Usano una soluzione di sale fuso come elettrolita.
Questa configurazione consente loro di estrarre l’idrogeno direttamente dai combustibili tradizionali come il gas naturale, evitando la necessità di apparecchiature di raffinazione esterne. Funzionano a temperature più basse rispetto alle celle a ossido solido, il che significa che non sono necessari materiali esotici e costosi per costruirle. Ma il caldo porta ancora problemi di corrosione.
Celle a combustibile ad acido fosforico (PAFC)
Le celle a combustibile ad acido fosforico sono quelle in circolazione da più tempo nel settore dell’energia dell’idrogeno. Li troverete nelle centrali elettriche fisse e negli autobus industriali.
Funzionano più caldi dei PEMFC. Ciò significa un tempo di riscaldamento più lungo, che li squalifica per l’uso automobilistico. Per quanto riguarda il loro futuro? È buio. Sono meno efficienti dei modelli più recenti e si basano su un catalizzatore di gas tossico. L’industria si sta lentamente allontanando da loro.
Celle a combustibile diretto a metanolo (DMFC)
Consideralo un cugino più piccolo e meno efficiente del PEMFC. Le temperature operative sono simili, ma l’efficienza diminuisce.
Il problema qui sono i costi e i materiali. I DMFC richiedono una quantità significativa di platino per agire come catalizzatore. Il platino è costoso. Ciò rende le celle a combustibile a metanolo diretto una vendita difficile per le applicazioni del mercato di massa nonostante la loro semplicità.
Celle a combustibile reversibili
È qui che le cose diventano complesse. Una cella a combustibile reversibile combina la produzione di energia con lo stoccaggio. Accoppia una cella a combustibile standard con un generatore solare o eolico.
Quando splende il sole o soffia il vento, l’energia in eccesso viene utilizzata per dividere l’acqua in idrogeno e ossigeno tramite elettrolisi. L’acqua viene immagazzinata. Quando l’energia è necessaria in un secondo momento, la cella a combustibile funziona al contrario, trasformando l’idrogeno e l’ossigeno immagazzinati in elettricità e vapore acqueo.
L’efficienza è alta. La complessità è enorme. Il costo è proibitivo. Ma il concetto di immagazzinare energia rinnovabile in forma chimica è il Santo Graal.
Una breve storia
Sir William Grove inventò la prima cella a combustibile nel 1839. Sapeva che l’elettrolisi poteva dividere l’acqua in idrogeno e ossigeno utilizzando l’elettricità. Ha ipotizzato che invertire il processo, combinando idrogeno e ossigeno, produrrebbe elettricità e acqua. Costruì una versione primitiva che chiamò “batteria a gas voltaico”. Ha funzionato.
Cinquant’anni dopo, Ludwig Mond e Charles Langer coniarono il termine “cella a combustibile” mentre cercavano di costruire un modello pratico. Da allora, la corsa è stata quella di rendere quei primi prototipi utilizzabili per il mondo moderno.
Celle a combustibile con membrana elettrolitica polimerica
Abbiamo accennato in precedenza alle PEMFC, ma meritano uno sguardo più approfondito. Se le celle a combustibile sostituiranno i serbatoi di gas, questa sarà la tecnologia che farà il lavoro pesante per il trasporto.
La cella a combustibile con membrana elettrolitica polimerica, o PEMFC, non è solo un esperimento di laboratorio. È probabile che la tecnologia finisca nella tua prossima berlina, in un autobus urbano o forse anche nel tuo garage. La chimica è ridotta all’essenziale, ma l’ingegneria necessaria per far funzionare un’auto è tutt’altro che semplice.
Per capire come trasforma l’idrogeno in elettricità, bisogna osservare l’anatomia dello stack. È costruito attorno a quattro componenti principali, ciascuno con un lavoro specifico che non può essere ignorato.
L’anodo e il catodo: dove inizia l’azione
Inizia con l’anodo. Questo è il lato negativo della cellula. Il suo ruolo principale è allontanare gli elettroni dalle molecole di idrogeno in modo che possano alimentare il motore. Ma deve anche farsi carico del lavoro pesante della distribuzione. Nell’anodo sono incisi dei canali per distribuire uniformemente il gas idrogeno sulla superficie del catalizzatore. Se il flusso non è uniforme si creano punti caldi e inefficienze.
Dall’altro lato si trova il catodo, il polo positivo. Rispecchia la struttura dell’anodo con i propri canali incisi, ma questa volta distribuiscono l’ossigeno. Il catodo raccoglie gli elettroni che ritornano dal circuito esterno. Questi elettroni incontrano gli ioni idrogeno e ossigeno sulla superficie del catalizzatore, completando il circuito formando acqua.
La Membrana: Il Guardiano
Tra gli elettrodi si trova la membrana di scambio protonico. Sembra sospettosamente simile a una spessa pellicola di plastica da cucina, ma non lasciarti ingannare. Si tratta di un polimero trattato in modo speciale che lascia passare solo gli ioni con carica positiva. Blocca completamente gli elettroni.
Ecco il problema: la membrana deve rimanere idratata. Se si secca, smette di condurre protoni. Perdi stabilità e l’intera cellula cede. Si tratta di una finestra operativa ristretta che rende la gestione termica un costante grattacapo per gli ingegneri.
Il catalizzatore: platino su carbonio
La reazione non avviene da sola. Hai bisogno di un catalizzatore. Di solito si tratta di nanoparticelle di platino rivestite in modo sottile su carta carbone o tessuto. Il materiale è ruvido e poroso, massimizzando la superficie. Perché? Perché una maggiore area superficiale significa che possono verificarsi più reazioni contemporaneamente.
Il lato rivestito in platino è rivolto verso il PEM. È l’unica cosa che si frappone tra l’idrogeno e l’ossigeno, costringendoli a reagire in modo controllato anziché semplicemente esplodere.
La reazione: dal gas all’energia
Immaginate l’idrogeno pressurizzato che colpisce l’anodo. La pressione spinge il gas attraverso il catalizzatore. Quando una molecola di H2 tocca il platino, si divide. In due protoni (H+) e due elettroni (e-).
Gli elettroni non possono andare da nessuna parte se non fuori. Scorrono attraverso l’anodo, viaggiano attraverso il circuito esterno, alimentando il motore elettrico, e tornano al catodo.
Nel frattempo, l’ossigeno colpisce il lato catodico. Si rompe in atomi, ciascuno dei quali trasporta una forte carica negativa. Questa carica attira gli ioni H+ attraverso la membrana dall’altro lato. Lì, gli ioni incontrano gli atomi di ossigeno e gli elettroni di ritorno. Si combinano per formare acqua (H2O). Questo è tutto. Lo scarico è solo vapore acqueo.
Ma c’è un problema. Una singola cella come questa genera solo circa 0,7 volt. Non è sufficiente per far girare un motore. Hai bisogno di una pila.
L’impilamento e il problema della placca bipolare
Per ottenere una tensione utilizzabile, si impilano dozzine o centinaia di queste celle insieme. Le piastre bipolari li collegano in serie. Queste piastre gestiscono contemporaneamente sia le condizioni ossidanti che quelle riducenti. Sono molto stressati.
La stabilità è il grosso problema qui. Se si utilizzano piastre bipolari metalliche, queste tendono a corrodersi. I sottoprodotti, ovvero ioni ferro e cromo, possono penetrare nella membrana e negli elettrodi, compromettendone le prestazioni nel tempo. Ecco perché le celle a combustibile a bassa temperatura spesso passano ai metalli leggeri, alla grafite o ai compositi carbonio/termoindurenti. I materiali termoindurenti sono plastiche che rimangono rigide sotto il calore, offrendo una via di mezzo tra conduttività e resistenza alla corrosione.
La chimica in breve
La matematica non mente. È pulito, efficiente e si ripete all’infinito finché gli si alimenta il gas.
Lato anodico : 2H₂ → 4H⁺ + 4e⁻
Lato catodo : O₂ + 4H⁺ + 4e⁻ → 2H₂O
Reazione netta : 2H₂ + O₂ → 2H₂O
È elegante in teoria. Far sì che duri 150.000 miglia senza che la membrana si secchi o che il catalizzatore venga avvelenato è il punto in cui inizia la vera battaglia.
Efficienza delle celle a combustibile
Il divario in termini di efficienza: celle a combustibile, benzina e batterie
Andiamo al sodo. La riduzione dell’inquinamento è l’obiettivo principale delle celle a combustibile, ma la vera storia è l’efficienza. Per capire dove si collocano i veicoli a celle a combustibile a idrogeno nel panorama automobilistico, è necessario guardare i numeri prima ancora che le ruote girino. Stiamo ignorando l’hardware condiviso (pneumatici, trasmissioni, sospensioni) e concentrandoci esclusivamente su come ciascun gruppo propulsore converte l’energia immagazzinata in movimento meccanico sull’asse.
Il primo è il veicolo a celle a combustibile a idrogeno che funziona con idrogeno puro. Il potenziale qui è sconcertante. Lo stesso stack di celle a combustibile può funzionare con un’efficienza di circa l’80%. Ciò significa che estrae l’80% del contenuto energetico dall’idrogeno e lo trasforma in elettricità. Ma l’elettricità non muove l’auto; il motore lo fa. Anche il motore elettrico e l’inverter sono altamente efficienti, attestandosi a circa l’80%.
Fai i conti su quella catena: 80% per 80%. Il risultato è un’efficienza complessiva del sistema pari a circa il 64%.
Confrontalo con il motore a combustione interna. Un tipico motore a benzina ha la fortuna di raggiungere un’efficienza del 20-30%. La maggior parte di quell’energia svanisce semplicemente sotto forma di calore. Anche i migliori veicoli elettrici a batteria, che si caricano dalla rete e si scaricano nel motore, di solito si aggirano intorno al 70-80% di efficienza da presa a ruota. Ma aspetta. Quella metrica della batteria ignora il modo in cui è stata prodotta l’elettricità. Se si tiene conto delle perdite di generazione e trasmissione, l’efficienza “dal pozzo alla ruota” dei veicoli elettrici caricati in rete diminuisce in modo significativo.
La cifra del 64% per l’idrogeno è però teorica. Presuppone idrogeno puro. Nel mondo reale, le catene di approvvigionamento sono disordinate. Se un veicolo utilizza un reformer per estrarre idrogeno da combustibili idrocarburici come gas naturale o alcol, l’efficienza crolla. I riformatori generano calore, producono gas di scarico e faticano a produrre idrogeno puro. Le impurità avvelenano il catalizzatore della cella a combustibile, riducendone le prestazioni. A causa di questo ostacolo, il Dipartimento dell’Energia (DOE) ha in gran parte raddoppiato le infrastrutture per l’idrogeno puro, nonostante i grossi grattacapi di produzione e stoccaggio.
Il paradosso dell’idrogeno
L’idrogeno è ovunque. È l’elemento più abbondante nell’universo. Ma sulla Terra? Non così tanto. Non resta fermo nella sua forma elementare (H2) in attesa di essere pompato. Devi produrlo.
Questo è il “problema dell’idrogeno”. Per ottenere idrogeno puro è necessario separarlo dai composti. Ciò richiede energia. Moltissimo. Sia che si utilizzi il reforming del metano a vapore (utilizzando il calore del gas naturale) o l’elettrolisi (utilizzando l’elettricità per dividere le molecole d’acqua), si spende energia per creare il carburante.
Ciò crea un dibattito circolare sull’efficienza. Se utilizzi elettricità rinnovabile per produrre idrogeno, stai già perdendo energia nella fase di elettrolisi (perdita di circa il 20-25%). Quindi lo comprimi o liquefa per la conservazione (un’altra perdita del 10-15%). Quindi lo metti in una cella a combustibile (efficiente all’80%). Quindi si guida il motore (efficienza all’80%).
Se si sommano queste perdite, l’efficienza dal pozzo alla ruota di un veicolo a celle a combustibile a idrogeno spesso è inferiore a quella di un veicolo elettrico a batteria diretta. La batteria non necessita di estrazione, compressione o conversione chimica nella pompa. Sta semplicemente lì, pronto.
Allora perché preoccuparsi dell’idrogeno? Allineare. Tempo di rifornimento. Peso. Le batterie sono pesanti. I serbatoi di idrogeno sono più leggeri a parità di densità energetica su lunghe distanze. Ma da un punto di vista termodinamico puro, la batteria vince in termini di efficienza. La cella a combustibile vince in termini di comodità e densità energetica.
La scelta non è giusta
La realtà del gas rispetto all’efficienza elettrica
Tagliamo il rumore del marketing. Un motore a combustione interna standard è notoriamente uno spreco. Stai osservando un’efficienza complessiva di circa il 20%. Ciò significa che l’80% dell’energia termica nel serbatoio scompare sotto forma di calore di scarico, perdita del radiatore o attrito derivante dall’alimentazione di pompe e ventole. Solo un quinto muove effettivamente le ruote.
I veicoli elettrici (EV) raccontano una storia diversa all’interno del garage. L’efficienza batteria-ruota è sorprendentemente elevata. Con un’efficienza della batteria pari a circa il 90% e un gruppo motore/inverter che raggiunge l’80%, si ottiene un’efficienza complessiva del sistema di circa il 77%. Si tratta di un divario enorme rispetto al gas.
Ma non puoi fermarti al tubo di scappamento. Devi guardare la griglia.
Il problema dal pozzo alla ruota
Se l’elettricità proviene da una centrale elettrica alimentata a carbone o a gas, i conti cambiano. Questi impianti basati sulla combustione convertono solo circa il 40% del combustibile in elettricità. Quindi, hai la stazione di ricarica stessa. La conversione dell’alimentazione della rete CA in alimentazione della batteria CC non è perfetta; funziona con un’efficienza di circa il 90%.
Moltiplicate insieme queste efficienze: 77% (auto) x 40% (impianto) x 90% (caricabatterie).
Il risultato? Un’efficienza complessiva dal pozzo alla ruota di appena il 28%.
È inferiore a quanto ti aspetteresti, ma è comunque generalmente più pulito di un’auto a benzina, soprattutto se la rete elettrica sta cambiando. Tuttavia, la fonte conta immensamente. Se il tuo veicolo elettrico viene caricato da una diga idroelettrica, eviterai completamente la perdita di combustione. L’idro è essenzialmente “gratuito” in termini di consumo di carburante. In questo scenario, l’efficienza dal pozzo alla ruota del veicolo elettrico sale a circa il 69%.
Le celle a combustibile e il perno delle nanotecnologie
Le celle a combustibile a idrogeno offrono una via di mezzo, sebbene siano lontane dall’essere mainstream. Le configurazioni moderne, come la Honda Clarity, sono in realtà sistemi ibridi. Utilizzano una piccola batteria al litio e motori elettrici per la propulsione, mentre una cella a combustibile funge da range extender per ricaricare la batteria in movimento.
Gli scienziati stanno lavorando duramente per migliorare l’efficienza delle celle a combustibile. Il collo di bottiglia è sempre stato il catalizzatore. Il platino è lo standard, ma è costoso e scarso. Entra nella nanotecnologia.
Catalizzatori dorati
Qui è dove diventa strano. L’oro è chimicamente inerte. Non reagisce. È un metallo nobile per un motivo. Ma se si riducono le particelle d’oro alla scala nanometrica, il loro comportamento cambia. Diventano catalizzatori altamente reattivi, potenzialmente rivaleggiando con il platino in termini di prestazioni.
Se i ricercatori riuscissero a stabilizzare queste strutture di nanoparticelle su larga scala, i veicoli a celle a combustibile potrebbero finalmente eguagliare l’efficienza dei veicoli elettrici a batteria alimentati da reti rinnovabili. La fisica lo permette. L’ostacolo ingegneristico? Rendendolo conveniente. Non siamo ancora arrivati a questo punto. Il divario tra il potenziale del laboratorio e la realtà dello showroom rimane ampio.
Il prezzo dell’idrogeno puro
Cerchiamo di essere schietti riguardo all’economia. I numeri del Dipartimento dell’Energia sono brutali. Nel 2020, il costo per produrre idrogeno tramite elettrolisi ha raggiunto i 279 dollari per kilowattora. Sono ottimisti e prevedono un calo a 182 dollari entro il 2030. Sembra migliore finché non si guarda la linea di base. Un normale impianto a gas naturale produce un chilowattora per circa 55 centesimi.
È possibile ridurre tali costi utilizzando combustibili fossili per estrarre l’idrogeno. Ma questo vanifica l’intero scopo di diventare green. Ti ritroverai con lo stesso inquinamento, solo con passaggi aggiuntivi. Le celle a combustibile reversibili potrebbero colmare questo divario, offrendo efficienza a lungo termine e risparmio di denaro. Fino ad allora, il prezzo rimane un ostacolo enorme.
Resistere al ciclo
La durabilità è il prossimo muro. Le celle a combustibile con membrana a scambio protonico (PEMFC) necessitano di membrane che sopravvivano a più di 100 gradi Celsius. Devono anche gestire temperature ambientali inferiori allo zero senza congelarsi. Perché è importante? Temperature operative più elevate significano che il sistema può tollerare più impurità nel carburante.
Le auto partono e si fermano. Costantemente. La membrana deve rimanere stabile durante questi shock termici. In questo momento, si degradano quando la cella a combustibile si accende e si spegne. È una semplice realtà meccanica che degrada la chimica.
Mantenerlo umido e solido
Le membrane PEMFC hanno sete. Hanno bisogno di idratazione per trasferire i protoni dell’idrogeno. Se sbagli, la cellula muore. I ricercatori si stanno adoperando per mantenere questi sistemi in funzione in condizioni di bassa umidità, freddo sotto zero e calore elevato. A 80 gradi Celsius, si perde l’idratazione a meno che non si pompi umidità ad alta pressione.
Le celle a combustibile a ossido solido (SOFC) hanno i loro grattacapi. La corrosione dei materiali è una minaccia costante. L’integrità della tenuta è altrettanto fragile. L’obiettivo di costo per le SOFC è di 400 dollari per kilowatt – meno rigoroso degli obiettivi PEMFC – ma gli elevati costi dei materiali rendono quella cifra sfuggente. Inoltre, la durata subisce un duro colpo ogni volta che la cella si riscalda alla temperatura operativa e si raffredda nuovamente alla temperatura ambiente. Il ciclo termico uccide le foche.
Costruire la rete
Non puoi vendere auto senza stazioni. Affinché i veicoli PEMFC funzionino, abbiamo bisogno di un’infrastruttura completa per la generazione e la distribuzione dell’idrogeno. Condotte. Trasporto su camion. Stazioni di rifornimento. Impianti di generazione. La strategia del DOE è semplice: costruire un veicolo commerciabile e l’infrastruttura seguirà. È un problema dell’uovo e della gallina.
Da dove viene l’idrogeno? Negli Stati Uniti, la maggior parte è un sottoprodotto della raffinazione del gas naturale e del petrolio. L’altro metodo affidabile è l’elettrolisi. Dai energia all’acqua dolce, la dividi in idrogeno e ossigeno. Il problema? L’elettrolisi necessita di una fonte di energia secondaria. Ciò prosciuga la produzione netta di energia. Stai muovendo energia, non creandola.
Conservare l’invisibile
Trecento miglia è l’autonomia standard di un serbatoio di benzina. Per eguagliarlo con un veicolo a celle a combustibile, è necessario risolvere il problema dello stoccaggio. L’idrogeno è ingombrante. È necessario gestire il peso, il volume, i costi e la sicurezza del veicolo.
La sicurezza è l’elefante nella stanza. I legislatori non hanno ancora scritto le regole per i primi soccorritori. Qual è il protocollo quando un veicolo a celle a combustibile prende fuoco? Gli ingegneri devono progettare sistemi di consegna che non esplodano. Non si tratta solo di guidare; si tratta di sopravvivere a un incidente.
Alternative aromatiche
I ricercatori stanno guardando oltre le membrane di acido perfluorosolfonico. Si stanno rivolgendo alle membrane a base aromatica. Non lasciarti ingannare dal nome. Non si tratta di odore. Si riferisce a strutture chimiche come benzene, piridina o anelli indolici. Queste strutture resistono meglio alle alte temperature.
Ma c’è un compromesso. Hanno ancora bisogno di idratazione. E quando si seccano, si gonfiano. Questo rigonfiamento compromette l’efficienza delle celle a combustibile. È un’altra variabile da controllare in un sistema che già fatica a mantenerlo insieme.
La spinta verso l’indipendenza energetica
L’impegno finanziario è sconcertante. Miliardi sono già confluiti nella produzione di celle a combustibile a idrogeno, con una tabella di marcia che si estende fino al 2050 e che promette un’ulteriore iniezione di capitale. La logica è semplice. Gli Stati Uniti e altre nazioni stanno inseguendo l’idrogeno per lo stesso motivo per cui stanno inseguendo l’energia eolica e solare: spezzare la dipendenza dalla dipendenza dal petrolio.
Certo, gli Stati Uniti possono produrre la maggior parte del proprio greggio. Ma siamo ancora legati a un’economia globalizzata. Quando i prezzi aumentano in Medio Oriente, lo sentiamo anche qui. È una vulnerabilità. La combustione di combustibili fossili scarica carbonio nell’atmosfera più velocemente di quanto la natura possa eliminarlo. Il risultato è visibile durante la nostra vita. Le temperature stanno aumentando. Il clima estremo non è più un’anomalia. I centri urbani stanno soffocando per problemi respiratori legati all’inquinamento. Ridurre il consumo di combustibili fossili non è solo un obiettivo politico. È l’unico modo per mantenere il pianeta abitabile.
Le celle a combustibile offrono un’alternativa pulita. Non emettono alcun inquinamento. L’unico sottoprodotto è l’acqua pura. Nel breve termine, gli ingegneri stanno ancora estraendo l’idrogeno dal gas naturale. Questa è la soluzione pragmatica. Ma l’Iniziativa sull’idrogeno guarda ancora più avanti. Il piano a lungo termine prevede metodi di produzione rinnovabili e rispettosi dell’ambiente.
Produzione interna e cooperazione globale
Considera la chimica. È possibile produrre idrogeno dall’acqua tramite elettrolisi. Ciò significa che gli Stati Uniti potrebbero fare sempre più affidamento su fonti interne per la propria energia. Inoltre, evita le inefficienze e i rischi ambientali legati al trasporto di carburante attraverso le acque internazionali. Meno petroliere. Meno rischi. Più sicurezza energetica.
Questo non è uno sforzo solitario. La dipendenza dal petrolio e il riscaldamento globale sono problemi globali che richiedono soluzioni globali. Diversi paesi stanno collaborando per promuovere la ricerca e lo sviluppo nelle tecnologie delle celle a combustibile. Una delle principali collaborazioni è il Partenariato internazionale per l’economia dell’idrogeno. Stanno mettendo insieme le risorse per accelerare i tempi.
La strada da percorrere
Siamo realistici. Scienziati e produttori hanno ancora una montagna da scalare. Le celle a combustibile non sono ancora un’alternativa pratica e pronta all’uso alle attuali infrastrutture energetiche. Le sfide sono significative. Magazzinaggio. Distribuzione. Costo.
Ma con il sostegno e la cooperazione a livello mondiale, l’obiettivo di un sistema energetico sostenibile basato su celle a combustibile non è fantascienza. È una questione di tempo. Un paio di decenni, forse. Forse meno. I pezzi vengono posizionati sulla scacchiera. La questione è se avremo la pazienza di aspettare lo scacco matto.
