In collaborazione con l’università di Liegi, la società Alstom-Ballard sta realizzando in Wallonia un progetto esemplificativo di uno dei cinque prototipi della sua pila a combustibile.
Questa unità decentralizzata, di alimentazione di energia, sarà impiantata sul campus di Sart Tilman e integrata alla sua rete energetica.
L’esperimento viene realizzato con il contributo della Regione Wallonia

._____________________________

Premessa
La nostra vita quotidiana è sotto l’influenza di una fata invisibile, che interviene ovunque una tecnica industriale prenda forma, l'elettricità. Senza tale forma di energia noi saremmo privati di una vasta gamma di prodotti e servizi, dall’ascensore al laser, passando per gli elettrodomestici, gli audiovisivi, le telecomunicazioni o il computer. Basta un guasto alla linea della corrente per rendersi conto come la nostra vita sia appesa ad un filo elettrico. L’elettricità ha tuttavia un prezzo: occorre produrla in grandi quantità, senza rischi eccessivi, assicurare il suo trasporto in sicurezza, disporne al minimo costo. Il suo sviluppo non ha molto giovato all’ambiente: la produzione di elettricità ha richiesto la costruzione di centrali termiche ad alto rendimento elettrico ma ecologicamente poco soddisfacenti, soprattutto perché la grande quantità di calore coprodotto non può essere in linea generale recuperato. Il trasporto di questa elettricità richiede migliaia di chilometri di cavi elettrici su piloni orrendi paesaggisticamente. In Belgio centrali naturali, come quelle idroelettriche, fotovoltaiche o eoliche, offrono delle risorse localizzate e limitate.

A livello mondiale il consumo di energia elettrica non cessa di crescere per rispondere a bisogni sempre più elevati: la popolazione aumenta e i sistemi elettrici proliferano. Espresso in Tep (Tonn equivalente petrolio), il consumo globale di energia raggiunge i dieci miliardi di Tep all’anno. Ossia 255 Tep al secondo! E bisogna altresì considerare che i tre quarti della popolazione mondiale consumano appena un decimo di quanto utilizzano i paesi industrializzati per soddisfare i loro bisogni!

Come far fronte perciò alla domanda senza mettere in pericolo l’equilibrio naturale ? La soluzione più efficace consiste nel consumare meno e meglio. Ma in che misura possiamo accettare una riduzione del nostro consumo sacrificando in parte le nostre comodità di tutti i giorni ?

La fisica nucleare, con le sue reazioni nel cuore della materia, si propone di apportare una fonte conveniente di energia. Ma la fissione atomica fa temere il peggio a causa della sua forte radioattività e la fusione dell’idrogeno si rivela difficile da padroneggiare a causa di temperatura e pressione estremamente elevate (vedere Athena n° 151, maggio 1999: "La sfida della fusione controllata"). La soluzione delle centrali nucleari passa per un’infrastruttura di costose unità; il loro sfruttamento si fonda su un controllo rigoroso, ma presenta dei rischi. Una nuova via viene esplorata attraverso la chimica: la pila a combustibile. Il suo principio, basato sulla ricombinazione dell’idrogeno e dell’ossigeno per produrre acqua ed elettricità, data dal secolo scorso: fu l’elettrochimico britannico William Grove a metterlo in evidenza nel 1839.

La Regione vallone ha accettato d’investire 115 milioni di franchi nella tecnologia della pila a combustibile: Grazie alle sue competenze, l’università di Liegi è stata scelta per partecipare alla dimostrazione di un prototipo di Alstom-Ballard su un sito campione. Se questa fonte d'energia dimostrerà la sua validità, come si spera, in sede operativa, la Wallonia si piazzerà bene per un’attività industriale da cui trarranno vantaggio le piccole e medie imprese del prossimo futuro.
Le applicazioni della pila a combustibile si rivelano molteplici, purché si arrivi ad ottimizzare il suo sfruttamento, a migliorare il suo funzionamento e la durata, a miniaturizzare i suoi elementi.
Il numero di settembre 1999 del mensile Pour la Science (traduzione francese di Scientific American) ha consacrato un dossier di quindici pagine alla sfida tecnologica delle pile a combustibile: dalla centrale elettrica nel sottosuolo all’accumulatore elettrico portatile, fino ai veicoli a trazione elettrica. Sito da consultare: http://www.pourlascience.com.
La regione che vide nascere Zénobe Gramme, l’inventore della dinamo, (vedi Athena n°105) non poteva restare indifferente ad un’innovazione tecnologica che passa attraverso la dinamo per produrre elettricità. Nella pila a combustibile l’energia elettrica risulta da una reazione chimica. Non c’è bisogno di passare per le fasi termiche e meccaniche che condizionano il rendimento di una centrale. Una pila funziona consumando progressivamente due reattivi - un ossidante avido di elettroni e un riduttore che libera elettroni - che sono separati da un elettrolita. La pila a combustibile realizza un processo elettrochimico costante, in quanto è alimentata in modo continuo da un ossidante e da un riduttore che sono generalmente introdotti sotto forma di gas.

Il riduttore più appropriato è l’idrogeno, mentre l’ossidante è sempre l'ossigeno estratto dall’aria.
Ma si può utilizzare come riduttore il metano (gas naturale) o il metanolo (alcol da bruciare che contiene idrogeno). Per differenza di potenziale, il passaggio dei protoni (ioni positivi) dal riduttore verso l’ossigeno forma una corrente continua che può essere trasformata in corrente alternata, pronta ad un uso domestico. Attualmente, la resa di conversione della reazione chimica in energia elettrica supera generalmente il 50%. L’energia che è dissipata sotto forma di calore viene smaltita sotto forma di acqua calda o di vapore. Poiché il rendimento di una pila a combustibile non dipende dalla dimensione dell’impianto, è possibile realizzare piccole unità operative "su misura", che sono vicine agli utilizzatori e che servono, oltre alla produzione di elettricità, alla climatizzazione e alla refrigerazione. Grazie a questa cogenerazione, il rendimento globale dell’impianto raggiunge il livello notevole dell’80-90%.

Esistono vari tipi di pile a combustibile. Se il principio di base è sempre il medesimo, una componente essenziale può variare: l'elettrolito impiegato per far migrare gli ioni specifici da un elettrodo all’altro. La pila Pem (Proton exchange membrane), a membrana permeabile ai protoni, utilizza come elettrolito un film plastico estremamente sottile: si tratta di una membrana polimerica perfluorurata sulla quale sono innestati dei gruppi sulfonati. Questa pila presenta i seguenti vantaggi:

* una temperatura poco rischiosa per il suo funzionamento (meno di 100 °C);

* una messa in opera rapida, che permette la cogenerazione elettricità e calore/freddo;

* un rendimento non condizionato dalla dimensione dell’impianto che può essere elevato con una piccola unità di produzione;

* un funzionamento scarsamente nocivo, grazie ad un processo silenzioso e ad una bassa quantità di scarichi inquinanti;

* un costo di mantenimento che si può controllare;

* un basso ingombro dell’impianto grazie ad una progettazione modulare;

* la possibilità di funzionare a metanolo invece che con l’idrogeno, mediante miglioramenti tecnologici.

E’ proprio questo modello Pem, a bassa temperatura, che sarà installato e sottoposto a prova di esercizio sul campo universitario di Sart Tilman durante il 2000. Il gruppo franco-inglese Alstom di elettromeccanica sviluppa dei prototipi con l’impresa canadese Ballard Generation Systems (Bgs), che è leader mondiale nella produzione di pile a combustibile del tipo Pem. Alstom e Bgs hanno deciso nel 1998 di creare a Dresda, in Germania, la società europea Alstom-Ballard. Circa 25 milioni di euro, ossia più di un miliardo di franchi belgi, sono stati investiti in questa impresa per fabbricare, commercializzare e installare degli "alimentatori decentralizzati di energia": si tratta di unità fisse di produzione di energia che impiegano le pile Pem. In seguito ad una gara internazionale, Alstom ha scelto la Wallonia per installare uno dei cinque prototipi di pila Pem di una potenza di 250 kW. Gli altri siti sono stati selezionati in Canada, Germania, a Berlino, con il sostegno della Commissione europea, in Svizzera, a Muchenstein, e nei paesi Bassi, ad Amsterdam. L’Università di Liegi, attraverso la voce del suo rettore Willy Legros, specialista di elettrotecnica, ha manifestato il suo entusiasmo di partecipare a questa impresa tecnologica che deve divenire un affare economico di portata internazionale.

Ma la pila a combustibile ha anche degli inconvenienti che da molto tempo hanno impedito il suo sviluppo. La sua dimostrazione in condizioni operative deve permettere di superare questi handicap:

* il prezzo della sua realizzazione e del suo funzionamento non è ancora sotto controllo;

* la sua durata resta limitata a circa cinque anni e l’affidabilità dei suoi componenti è ancora da ottimizzare;

* l’usura delle sue cellule fatte di un elettrolita e di elettrodi pone il problema della loro sostituzione e del loro riciclaggio.

Alla società anonima Promocell, con un capitale iniziale di 180 milioni di franchi, è affidata la gestione della dimostrazione in Wallonia della pila a combustile. I suoi azionisti sono la Regione wallone attraverso la Societé régionale d’investissement en Wallonie (Sriw), la Societé coopérative liégeoise d’électricité (Socolie), l’Association liégeoise d’électricité (Ale), l’Association liégeoise du gas (Alg), Meusinvest, la Société d’investissement du bassin liégeoise (Sibl), Ecotech, Société de gestion de projects et de valorisation de richerche (Gesval) dell’Università di Liegi.

La Regione vallone contribuisce con 62 milioni di franchi sotto forma di capitale, con un prestito di 18 milioni e con un finanziamento di "ricerca" di 35 milioni per quattro anni. Gli altri azionisti apportano circa 50 milioni di franchi. Per questa unità di produzione continua che contempla la catena completa, dall’alimentazione a gas metano fino alla rete elettrica locale, Promocell si appoggia sul potenziale scientifico dell’Università di Liegi. Questa è incaricato di acquisire la pila a combustibile presso Alstom-Ballard e di assicurare il controllo scientifico dell’installazione: studio di funzionamento, modellizzazione dei processi chimici, misurazione dei parametri, determinazione dei rendimenti e dei fattori d’influenza, bilancio delle incidenze sull’ambiente, interazione con la rete elettrica, pilotaggio dell’unità, sorveglianza del comportamento elettrico, miglioramento del processo, ottimizzazione degli elementi , messa in opera di nuove tecnologie. La Socolie, come società di produzione locale di elettricità, sarà l’operatore dell’installazione; si formerà così un’esperienza sulle possibilità di connessione e di sfruttamento a grande scala di microcentrali in cogenerazione.

Promocell deve affermarsi come un polo vallone di competenze che associa ricerca e sviluppo, assicura la promozione di progetti e valorizza attività economiche nuove nella tecnologia di pile a combustibile. Alstom si è impegnata ad affidare all’università di Liegi degli studi per un ammontare di 15 milioni di franchi per cinque anni. Questa fase di dimostrazione della pila a combustibile che dev’essere avviata nel primo semestre del 2000 persegue un triplice obiettivo nel quadro dell’Università di Liegi:

* I suoi dipartimenti di elettricità (Istituto Montefiore) e di chimica industriale (professore Albert Germain) vedono valorizzate le loro competenze con il sostegno della Regione wallone e di Alstom-Ballard, per lavori sugli elettrodi utilizzabili, sui combustibili potenziali, sul funzionamento di un’unità di cogenerazione, sul rendimento e i miglioramenti della pila in situazione reale.

* L’installazione sarà integrata, dall’anno 2000, alla rete energetica del campus universitario, e servirà, fra l’altro, a fornire elettricità e riscaldamento ai complessi sportivi, in particolare alla piscina.

* Su scala regionale questa iniziativa deve stimolare altri centri di ricerca, far sbocciare delle competenze industriali, contribuire alla creazione d’impiego in nuove attività ( controllo del funzionamento, analisi di processo, integrazione di unità, installazioni su sito, produzione di elementi, operazioni di manutenzione).

Peraltro, con il sostegno d’investitori walloni, Promocell diventerà un prezioso alleato di Alstom che è ben piazzata nel nostro paese con le Acec, Cogelec, Eib, Balteau. Nello stesso tempo, la Regione Wallone trova un’occasione per lanciarsi in una nuova tecnologia che stimola alcuni programmi di ricerca: elaborazione di componenti specifiche (membrane polimeriche, elettrodi a ossidi solidi) e integrazione degli elementi costitutivi di una pila a membrana polimerica. Peraltro, si tratta di fare evolvere questa tecnologia. Dagli anni sessanta, la pila a combustibile, funzionante a idrogeno e ad ossigeno con produzione di elettricità e di acqua, è una realtà operativa ma costosa a bordo delle navette spaziali abitate. Sforzi importanti restano da fare per industrializzare la sua utilizzazione a terra, ridurre i suoi costi d’installazione e di esercizio, accrescere il suo rendimento e la sua affidabilità. Nell’immediato si tratta di sostituire l’idrogeno puro, che è difficile da immagazzinare e che presenta dei rischi a livello della sicurezza, con dei combustibili di più facile stoccaggio.

E’ qui che intervengono le competenze del laboratorio di chimica industriale all’università di Liegi.
Il suo responsabile, il professore Albert Germain, dirige il progetto di dimostrazione di Alstom-Ballard e di Promocell. " Anche se si resta dipendenti da combustibili fossili, nel totale, se ne consumano di meno e dunque si genera meno anidride carbonica per produrre una medesima quantità di elettricità, spiega il professore. Quanto ai problemi di sicurezza, occorre rilevare che l’impiego di combustibili più classici rispetto all’idrogeno è anch’esso rischioso. In caso di fughe, i vapori di benzina hanno tendenza a ristagnare al suolo e a formare delle atmosfere esplosive". Per quanto riguarda il programma del progetto in corso:" Dato che un modello di simulazione della pila sarà sviluppato sulla base dei dati tecnici dell’Alstom, il programma potrà iniziare prima che la pila sia installata. Il controllo scientifico della pila dovrebbe allora cominciare subito". Sin da oggi dunque la Wallonia si mostra pronta a raccogliere una delle più grandi sfide del secolo.

GLI AIUTI DELLA DG 3

La società Promocell beneficia di un prestito recuperabile relativo all’ottimizzazione del progetto di una pila a membrana e allo sviluppo del banco di prove necessario all’evoluzione delle prestazioni.
Una convenzione First è stata anche concessa alla società per lo studio e la caratterizzazione del comportamento elettrico da un punto di vista energetico e ambientale.
Il professore Albert Germain, responsabile del dipartimento di chimica industriale, nonché il professore Jean-Paul Pirard, responsabile del dipartimento di chimica fisica applicata, dell’università di Liegi, hanno beneficiato ambedue di un aiuto per la ricerca di nuovi combustibili di sostituzione dell’idrogeno e per la sintesi e la caratterizzazione di cryogel di carbonio, al fine della loro utilizzazione come materiali per elettrodi.
La Direzione generale delle Tecnologie, della Ricerca e dell’Energia (DG 3) è incaricata della gestione di questi aiuti.

Per ulteriori informazioni, contattare:

* la società Promocell, Michel Morant, telefono: 04/349.85.10.

* Il professore Albert Germain, dipartimento di chimica industriale, telefono: 04/366.35.47.

* Il professore Jean-Paul Pirard, dipartimento di chimica fisica applicata, telefono: 04/366.35.58.

(fonte: Athena n. 156 - Dic. 1999)