Il "sistema Fuel Cell " complessivo

Le prospettive di sviluppo
Le celle alcaline (AFC), che pure sono le fuel cell più mature e largamente impiegate per applicazioni spaziali, sono penalizzate nella generazione stazionaria di energia elettrica dalla richiesta di assoluta purezza dell’idrogeno, data la non tollerabilità in assoluto della presenza di CO₂ che reagirebbe con l'elettrolita formando carbonato di potassio.
Anche la tecnologia ad acido fosforico (PAFC) ha raggiunto un elevato livello di maturità, e di fatto è oggi l’unica a far registrare una significativa presenza sul mercato. Le efficienze relativamente basse ottenibili con questa tecnologia fanno però ritenere molto contenuti i margini per un ulteriore sviluppo.
Sotto il profilo strettamente tecnologico, le SPFC e le MCFC appaiono oggi le filiere più promettenti rispetto ad un prossimo ingresso sul mercato.
Le celle polimeriche (SPFC) mostrano una buona maturità ed hanno ricevuto un forte impulso dalle prospettive di applicazione per la trazione veicolare. Oggi il più importante produttore di stack SPFC, la canadese Ballard, è in grado di offrire stack da 50 e 75 kWe per applicazioni veicolari, e sta per entrare sul mercato con un sistema da 250 kW elettrici per la generazione stazionaria alimentato a metano.
La bassa temperatura di lavoro degli stack basati su celle polimeriche semplifica le soluzioni adottabili per i contatti elettrici e le tenute gas, ma rende le celle più sensibili ai problemi di avvelenamento da S e CO. Questo si traduce in specifiche più stringenti sulla qualità della alimentazione alla cella, una corrente ricca di H₂ prodotta da gas naturale, il combustibile oggi più interessante per la generazione stazionaria a livello distribuito. Per le SPFC oggi disponibili, il livello di tollerabilità del CO è di appena 10 ppm, e ciò impone notevoli sofisticazioni del sistema di trattamento del combustibile.
La tecnologia delle celle a carbonati fusi (MCFC) ha dovuto superare grosse difficoltà collegate con la gestione dell’elettrolita fuso, con la necessità di dovere ricircolare al catodo la CO₂ prodotta al comparto anodico (per evitare il progressivo dapauperamento dell’elettrolita), con i problemi di corrosione dei materiali dei piatti di interconessione e con criticità delle tenute gas ad elevata temperatura. Le MCFC sono state dimostrate sulla taglia di 100 kWe da ANSALDO, nell’ambito del consorzio italo spagnolo Molcare. Ansaldo si appresta inoltre ad avviare la dimostrazione di unità da 500 kWe, che dovrebbero costituire il modulo base per la penetrazione sul mercato delle medie utenze. E’ previsto che il sito industriale della Bicocca a Milano, che ha già ospitato un’unità dimostrativa PAFC da 1.3 MWe di Ansaldo/IFC (International Fuel Cell), venga a breve adattato per ospitare il progetto dimostrativo da 500 kWe.
Per quanto riguarda infine le celle a combustibile ad ossidi solidi (SOFC), le principali problematiche di sviluppo sono legate allo scale up della cella elementare, costituita da strati di materiali ceramici di spessore ridottissimo, ed alla temperatura di lavoro molto elevata, che rende critica la stabilità e le prestazioni dei materiali impiegati per realizzare lo stack elettrochimico.
Due sono gli approcci al design delle celle SOFC: quello tubolare e quello planare.
Il disegno tubolare, in cui la singola cella è costituita da un elemento cilindrico a tre strati sovrapposti, semplifica le soluzioni per la distribuzione e la tenuta dei gas ma presenta criticità collegate alle dimensioni massime di questi componenti ceramici e alle modalità di contatto elettrico tra di essi. Siemens/Westinghouse è giunta con questo approccio alla scala dei 25 kWe per singolo stack, ma sembra che i margini di ulteriore sviluppo siano ormai contenuti.
Il disegno planare, molto più semplice e di più facile realizzazione, consente di realizzare un contatto elettrico più efficace ed è naturalmente compatibile con il concetto di "impilaggio", ma presenta maggiori criticità rispetto alla distribuzione ed alla tenuta dei gas. La Sulzer annuncia di essere prossima alla commercializzazione di unità da 1 kWe basate su disegno planare.

I sistemi di generazione basati sulle fuel cells, una volta risolti i problemi legati al costo dei materiali e delle tecnologie di fabbricazione che oggi non li rendono ancora competitivi (al momento i costi specifici dei generatori a fuel cells sono di almeno 3000 $/kWe), dovranno confrontarsi da un lato con la produzione centralizzata di energia elettrica basata su sistemi convenzionali, dall’altro con altri dispositivi innovativi per la produzione distribuita di EE e calore quali ad esempio le microturbine, già oggi disponibili a costi accettabili (1000-1500 $/kWe) su taglie dell’ordine dei 100 kWe.
Le Fuel Cells possiedono caratteristiche che le rendono potenzialmente vantaggiose rispetto ad entrambe le tecnologie concorrenti sopra citate. La possibilità di realizzare sulle piccole scale e a livello distribuito efficienze elettriche paragonabili a quelle di grosse centrali a ciclo combinato alimentate a gas naturale, e di rendere nello stesso tempo utilizzabile il calore cogenerato costituisce un innegabile vantaggio rispetto alla generazione centralizzata. A questo va aggiunto che un modello di espansione produttiva basato su piccole unità cogenerative decentrate non solo realizza economie sotto il profilo dei costi di trasmissione, ma soprattutto non richiede ampliamenti della rete di distribuzione ad alta tensione, che come è noto è guardata con crescente preoccupazione e sospetto dall’opinione pubblica.
Rispetto alle Microturbine, l’efficienza elettrica all’incirca doppia e l’impatto ambientale notevolmente minore, soprattutto in termini di emissione di CO, NOx ed emissioni acustiche, sono elementi nettamente in favore delle soluzioni fuel cell. Si noti peraltro che queste due tecnologie non vanno necessariamente viste solo come antagoniste, dato che è possibile pensare a vantaggiose integrazioni capaci di rendimenti elettrici estremamente elevati (65%).
Secondo il parere autorevole di esperti della Comunità Europea e di organismi statunitensi quali lo Stanford Research Institute (SRI) e l’Institute of Gas Technology (IGT), le fuel cells giocheranno un ruolo di rilievo nel futuro panorama della generazione stazionaria, contribuendo alla generazione di valore nella catena del gas naturale. Costituiranno una delle tecnologie di cui gli "energy providers" dei futuri mercati liberalizzati potranno dotarsi per rispondere alle esigenze dei loro clienti finali.
Questo fa pensare ad impianti di taglia comunque discreta, dell’ordine delle centinaia di kWe, tali da sopperire al fabbisogno di condomìni, centri commerciali, ospedali, comunità.
Che dire invece di un concetto più "domestico", in cui la Fuel Cell diventa parte integrante delle facilities tipiche di un’abitazione, quali ad esempio la caldaietta per il riscaldamento e la produzione di acqua calda alla quale siamo già abituati?

Alcune novità interessanti
E’ proprio su questo filone che si sono avute recentemente notizie di sviluppi interessanti. Oltre ad iniziative sul mercato americano della Plug Power e della italiana DE NORA Fuel Cells (uno spin off dello scorso ottobre), che propongono unità da 3-5 kWe alimentate a metano, vale la pena di segnalare altre due iniziative, rispettivamente di Osaka Gas e Sulzer Hexis.
La prima sta sviluppando un sistema basato su celle polimeriche (SPFC) che include, per la preparazione dell'alimentazione ricca in idrogeno alla cella, uno steam reformer di metano corredato di un sistema proprietario di ossidazione selettiva di CO che lo riduce a 2.3 ppm. L’unità, di taglia molto contenuta (appena 1 kWe), è considerata adeguata per rispondere al fabbisogno di base di un’abitazione civile. Il calore cogenerato, a temperatura relativamente bassa, viene valorizzato attraverso l’integrazione con il sistema di riscaldamento domestico e produzione di acqua sanitaria, che utilizza un ulteriore boiler convenzionale. La potenza di 1 kWe risulta essere l’assorbimento medio stagionale, rispetto ad una potenza installata di 3 kWe, non dissimile da quella standard anche in Italia.
Sulla stessa filosofia appare basata l’offerta futura di SULZER HEXIS, che sta sviluppando come già accennato un sistema da 1 kWe basato su celle SOFC planari.
Entrambe queste aziende, l’una fornitrice di gas naturale, l’altra sviluppatrice di tecnologie, vedono evidentemente un futuro nella microcogenerazione a livello domestico.

EniTecnologie nel corso degli ultimi 10 anni ha acquisito esperienze dirette nel campo della dimostrazione di sistemi PAFC e dello sviluppo di celle ad ossidi solidi SOFC planari, anche in collaborazione con partners europei tra cui SIEMENS, nell’ambito di progetti MURST e CEE.
La Task Force "Fuel Cells" di EniTecnologie ha nel corso del 1999 individuato una promettente linea di sviluppo fondata su una tecnologia SOFC innovativa, a "media" temperatura e con "Reforming Interno" (IR) del metano: la rilevanza dei problemi legati al trattamento del combustibile fa infatti guardare con interesse a sistemi in cui il gas naturale possa convertirsi in H₂ nello stesso comparto anodico, utilizzando parte del calore generato dalla reazione di ossidazione elettrochimica in situ, contribuendo così ad innalzare l’efficienza del sistema.
L’impiego di nuovi materiali per l’elettrolita può ridurre drasticamente le temperature di lavoro dagli attuali 900-1000 °C a 750 °C, rendendo così possibili soluzioni tecnologiche meno complesse e sofisticate per lo stack, e riducendo di conseguenza i tempi dello sviluppo.
La fattibilità del reforming interno del metano, di cui esistono segnali incoraggianti, costituirebbe un ulteriore elemento a favore della realizzazione di macchine compatte ed efficienti, con costi presumibilmente più contenuti, dando impulso allo sviluppo di una tecnologia integrata che da metano renda disponibile EE e calore pregiato.
L’attività in corso è al momento focalizzata sulla sintesi di nuovi materiali per l’elettrolita e sulle conseguenti verifiche funzionali su questo elemento della cella elementare.
L’obiettivo è la realizzazione di uno stack di piccola taglia, dell’ordine di 1 kWe, che costituirebbe sicuramente uno stadio intermedio dello sviluppo, ma anche un prodotto con un possibile mercato nel settore della microcogenerazione a livello domestico.