Celle a combustibile contro la rete

Per una centrale elettrica, Mohegan-2 fa una figura singolarmente insignificante. Non ci sono torri di raffreddamento che rastrellano il cielo, nessuna foresta di torri di trasmissione, né vaste turbine, né pale giganti che ruotano in possenti fiumi. Fondamentalmente, sembra un cassonetto molto alto.

Ma quando viene installato come generatore di riserva al casinò del Connecticut Mohegan Sun, da cui prende il nome, il Mohegan-2 che ronza dolcemente si trasformerà in una prestazione che qualsiasi impianto di generazione convenzionale farebbe fatica a eguagliare: trarrà energia da combustibile senza bruciarlo, producendo 200 kilowatt di elettricità, calore utilizzabile e acqua di una purezza che nessuna sorgente di montagna potrebbe eguagliare producendo solo una modesta quantità di anidride carbonica. La cosa più impressionante di tutte è che nel tempo potrebbe essere in grado di fare tutto questo a un prezzo quasi altrettanto economico e più affidabile delle centrali elettriche convenzionali.

Questa storia faceva parte del nostro numero di gennaio 2002

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Mohegan-2, insieme a una serie di simili centrali elettriche alimentate a idrogeno che ora saltano da lunghi sforzi di ricerca e sviluppo nell'arena commerciale, potrebbe inaugurare l'era della cella a combustibile. Le celle a combustibile, che estraggono elettrochimicamente l'energia dall'idrogeno, sono silenziose, pulite e meccanicamente semplici come una batteria, ma facili da rifornire come un motore a combustione interna. A lungo sbandierate da molti come l'inevitabile successore dei motori delle auto ad alto consumo di gas e inquinamento, le celle a combustibile sono sempre state ostacolate dagli elevati costi di produzione. Ma un numero crescente di aziende è fiducioso di essere sul punto di portare i prezzi delle celle a combustibile a livelli tali da poter competere, se non con i motori delle auto, quindi con le apparecchiature convenzionali per la generazione di energia elettrica. Se il mercato di tali unità decolla, quel successo potrebbe benissimo ridursi alla produzione di altre celle a combustibile per il mercato di massa per le case e persino i singoli elettrodomestici. L'economia dell'idrogeno risultante, in cui la sostanza più abbondante della natura sostituisce i combustibili fossili come elisir di elettricità preferito, alla fine sarebbe caratterizzata da un'efficienza notevolmente maggiore e da un'aria notevolmente più pulita.

Non che un'imminente dinastia dell'idrogeno sia affatto una cosa sicura. Oltre a una serie di nodi tecnici che devono ancora essere risolti, ci sono anche sfide infrastrutturali, come come rendere disponibile l'idrogeno puro ai consumatori e dove ottenere la manutenzione delle celle a combustibile. Ci sono anche domande fondamentali sul potenziale di mercato delle celle a combustibile, vale a dire, il pubblico sarà disposto a scaricare tecnologie familiari a favore di celle a combustibile che potrebbero comportare un sovrapprezzo? Molti esperti credono che lo farà. Dopo anni di ricerche davvero intense, non vediamo alcun ostacolo che non sappiamo come aggirare per convertire i nostri sistemi energetici in celle a combustibile su larga scala, afferma Kenneth Stroh, che dirige gli sforzi di ricerca sulle celle a combustibile a Los Alamos Laboratorio Nazionale nel Nuovo Messico. Abbiamo ancora dei miglioramenti da apportare, ma se riusciamo a ottenerli, questo sarà un evento rivoluzionario.

Potenza ai protoni

Il sogno di un'economia dell'idrogeno è di vecchia data. Le celle a combustibile esistono dal 1839, quando il fisico britannico William Robert Grove costruì un dispositivo in grado di invertire l'elettrolisi, che la maggior parte di noi ricorda dalla chimica delle scuole medie come il processo di scissione delle molecole d'acqua nei loro atomi costituenti di idrogeno e ossigeno semplicemente inviando un leggero corrente elettrica attraverso l'acqua.

In una cella a combustibile, idrogeno e ossigeno vengono combinati per produrre acqua ed elettricità. Il componente principale della maggior parte delle celle a combustibile oggi è un elettrolita rivestito di catalizzatore inserito tra due piastre conduttrici. L'idrogeno entra in una delle piastre e l'ossigeno dall'aria entra nell'altra; l'idrogeno quindi spinge attraverso l'elettrolita per raggiungere l'ossigeno. Lungo la strada, il catalizzatore induce gli atomi di idrogeno a cedere i loro elettroni solitari, che vengono bloccati dall'elettrolita, lasciando un pool di elettroni abbandonati nella prima piastra mentre gli ioni di idrogeno migrano attraverso l'altra piastra. Collegando un filo tra le due piastre si ottiene una corrente elettrica, poiché gli elettroni fluiscono attraverso il filo per riconnettersi con gli ioni di idrogeno, a quel punto gli atomi di idrogeno ricostituiti si combinano con gli atomi di ossigeno per creare acqua. La corrente continuerà finché l'idrogeno fresco verrà introdotto nella prima piastra. Per ottenere una potenza elevata, i set di piastre possono essere impilati insieme.

Il petrolio a buon mercato e le economie del motore a combustione interna prodotto in serie hanno cospirato per oltre un secolo per tenere le celle a combustibile lontane dalla vista e dalla mente. Ma negli anni '70, le preoccupazioni per l'inquinamento atmosferico e l'affidabilità della fornitura di petrolio hanno ispirato un rinnovato interesse per la tecnologia. Poiché i processi delle celle a combustibile aumentano e diminuiscono senza perdita di efficienza, lo sviluppo del prodotto oggi spazia su tutta la mappa. Motorola, ad esempio, vuole inserire celle a combustibile su chip che potrebbero alimentare telefoni cellulari che accettano ricariche di idrogeno simili a cartucce di stilografiche (vedi Una cella a combustibile nel telefono, BAMBINI novembre 2001) . Altri cercano di usarli per far funzionare centrali elettriche abbastanza grandi da soddisfare le esigenze di una piccola città. Il governo federale ha speso circa 90 milioni di dollari all'anno per la ricerca sulle celle a combustibile (anche se si prevede che i fondi per tutti i progetti di energia alternativa si ridurranno sotto il presidente Bush).

Ma la vera attenzione nella ricerca sulle celle a combustibile si è concentrata sulle automobili. Di fronte alla pressione sempre presente per ridurre le emissioni inquinanti e i limiti naturali del motore a combustione interna, le case automobilistiche hanno investito collettivamente oltre $ 2 miliardi nella ricerca e nello sviluppo delle celle a combustibile, sia internamente che a sostegno di joint venture come la collaborazione di DaimlerChrysler con il carburante produttore di celle Ballard Power Systems, di Burnaby, British Columbia (vedi Riempire di idrogeno , BAMBINI novembre/dicembre 2000) . Ma le migliori celle a combustibile di oggi, anche se a combustione più pulita, non si avvicinano ancora ai motori peggiori di Detroit quando si tratta di ottenere una buona potenza da un pacchetto leggero, economico e sostenibile. E inoltre, il motore a combustione interna potrebbe essere la tecnologia più radicata esistente, attrezzata e riorganizzata per oltre un secolo e mezzo per raggiungere i limiti di prestazioni e affidabilità, prodotta in enormi quantità e supportata da un'onnipresente infrastruttura di rifornimento e riparazione. Poiché nessuno produrrà molte celle a combustibile senza prima stabilire un grande mercato, e poiché l'industria automobilistica non ha l'incentivo immediato a perfezionare la tecnologia, la ricerca delle celle a combustibile per autoveicoli deve affrontare un problema. Le persone sono entusiaste dell'economia dell'idrogeno, afferma Joel Swisher, un consulente del Rocky Mountain Institute di Snowmass, CO. Ma quando si tratta di capire come andare da qui a lì, il pensiero si ferma.

Negli ultimi due anni, i produttori di celle a combustibile si sono convinti di aver visto una strada per aggirare questo dilemma. Il loro pensiero di base ora è che il modo migliore per decifrare il mercato automobilistico è quello di costruire prima l'infrastruttura di produzione di celle a combustibile necessaria e le economie di scala vendendo i dispositivi in ​​un mercato più piccolo ma meno resistente alle sfide. Quel mercato, afferma un crescente consenso di esperti e aziende, è la generazione di energia elettrica: sebbene le celle a combustibile costino circa 10 volte di più da produrre rispetto a un tipico motore per auto, ora costano solo circa il doppio rispetto a generatori di energia a combustibili fossili comparabili . La ricerca e lo sviluppo e gli investimenti su larga scala sono stati sul lato automobilistico, afferma Stroh di Los Alamos. Ma è probabilmente vero che i primi prodotti saranno dal lato della generazione di energia.

Molti attori nel settore della produzione di celle a combustibile hanno almeno in parte spostato la loro attenzione dall'arena automobilistica al mercato della generazione di energia. Tra questi: Ballard, ora al lavoro per far emergere unità per applicazioni residenziali e portatili; H Power a Clifton, NJ, che sta preparando un'unità da 4,5 kilowatt; e Plug Power a Latham, NY, una società sostenuta da General Electric che inizierà a spedire il GE HomeGen 7000 quest'anno. Anche General Motors ha annunciato l'intenzione di lanciare un prodotto per la generazione di energia a celle a combustibile.

Una società che ha indiscutibilmente un vantaggio in questa sottoindustria improvvisamente affascinante è International Fuel Cells di South Windsor, CT. L'azienda non solo sviluppa da tempo celle a combustibile destinate ad applicazioni per la generazione di energia, ma le vende da quasi 40 anni. Negli anni '60, l'azienda ha fornito le tre celle a combustibile utilizzate nella navicella spaziale Apollo per generare elettricità, e in seguito ha fatto lo stesso per le navette spaziali. Sebbene queste celle a combustibile non abbiano mai avuto alcuna applicazione commerciale - si basano su costosi componenti placcati in oro, per prima cosa - International Fuel Cells ha sfruttato la sua esperienza con loro per progettare un'unità chiamata PC25, un dispositivo che genera 200 kilowatt di potenza, abbastanza per soddisfare le esigenze di un edificio per uffici di medie dimensioni. Negli ultimi sei anni l'azienda ha venduto più di 220 PC25 in 17 paesi a una varietà di aziende, scuole e agenzie governative che volevano sostituire, integrare o eseguire il backup dell'elettricità dalle utenze locali.

Il componente principale del PC25 ha il design a sandwich che si trova nella maggior parte delle celle a combustibile. L'esterno del sandwich è composto da due piastre conduttrici piene di canali per l'ingresso e l'uscita dei gas. Tra le piastre c'è un elettrolita efficiente nel condurre i protoni; l'elettrolita è circondato da un catalizzatore a base di platino.

Il processo di produzione di elettricità nel PC25 inizia quando il gas naturale viene convogliato attraverso una connessione standard di utilità del gas nel riformatore di combustibile dell'unità, che è essenzialmente un mini impianto chimico che prevede una piccola serie di processi basati sul calore per convertire gas naturale, metano o addirittura benzina in idrogeno, con anidride carbonica rimasta. Dopo la conversione, l'idrogeno viene trascinato attraverso i canali di una delle piastre e a contatto con l'elettrolita rivestito di catalizzatore, dove il catalizzatore rimuove gli elettroni dagli atomi di idrogeno.

Dopo che gli elettroni raggiungono la seconda piastra e si ricollegano ai protoni, gli atomi di idrogeno ricostituiti si combinano con gli atomi di ossigeno nell'aria per creare acqua, aiutati dal catalizzatore. Parte dell'acqua viene assorbita dall'elettrolita, che non funzionerà se si asciuga; il resto dell'acqua viene convogliato in un serbatoio, dove può essere scaricato. Ogni sandwich, o cella, nel PC25 emette meno di un kilowatt di potenza; per raggiungere la sua piena potenza di 200 kilowatt, un PC25 utilizza uno stack di 272 di queste celle.

Quando viene utilizzato come backup dell'alimentazione di rete, il PC25 rimane in genere in funzionamento costante, erogando energia elettrica che viene diretta nella rete elettrica dell'utilità (per la quale il proprietario del PC25 normalmente riceve credito); se l'alimentazione di rete si attenua o si interrompe, un interruttore elettrico reindirizza l'uscita del PC25 dalla rete alla struttura locale in una frazione di secondo, mantenendo la struttura alimentata.

Perché qualcuno dovrebbe voler passare dalle tradizionali fonti di energia elettrica a una cella a combustibile come il PC25? Si potrebbe presumere che la più grande virtù di una cella a combustibile sia che elimina la necessità di combustibili fossili, attualmente la fonte di circa due terzi dell'energia elettrica degli Stati Uniti. Considerando che l'idrogeno rappresenta circa i due terzi di tutti gli atomi che costituiscono il nostro pianeta, essere in grado di sfruttarlo come fonte di energia sembra quasi troppo bello per essere vero.

È. Il problema è semplice: l'idrogeno può essere tutto intorno a noi, ma è chimicamente bloccato nell'acqua e in altre molecole. A quanto pare, l'unica fonte pratica di idrogeno disponibile ora è la stessa su cui abbiamo fatto affidamento a lungo: idrocarburi ricchi di idrogeno, che, in pratica, significa combustibili fossili. Per estrarre l'idrogeno, gli stessi riformatori di carburante devono essere alimentati.

Ovviamente, dover far funzionare le celle a combustibile con combustibili fossili - e riscaldarle e raffreddarle - riduce alcuni dei loro vantaggi rispetto alle centrali elettriche convenzionali come quelle che utilizzano turbine a gas naturale o forni a carbone. Ma non elimina questo vantaggio. Anche se ingombrate da reformer alimentati a gas naturale, le celle a combustibile non producono emissioni diverse dall'anidride carbonica. A dire il vero, l'anidride carbonica è un gas serra; ma poiché le celle a combustibile sono più efficienti degli impianti a combustione, ne producono molto meno.

Questa efficienza è la chiave per vendere generatori di energia a celle a combustibile. Il PC25 funziona con un'efficienza di circa il 40%, il che significa che quasi la metà dell'energia assorbita viene convertita in elettricità, mentre il resto viene disperso sotto forma di calore. In confronto, le turbine a gas da 250 kilowatt che le organizzazioni normalmente acquistano come alternative o integrazioni all'energia elettrica funzionano a circa il 30% di efficienza (vedi Potere al popolo, BAMBINI maggio 2001) . Il vantaggio in termini di efficienza del PC25 si traduce in un risparmio di circa il 30% sui costi del carburante. Il margine è ampliato per i clienti che possono utilizzare il calore di scarto di una cella a combustibile, gran parte del quale viene facilmente catturato dall'aria pulita e dall'acqua rimossa dalla cella; il calore delle turbine, invece, è solitamente legato alle emissioni nocive.

Sfortunatamente, per la maggior parte degli utenti esperti questo vantaggio viene spazzato via dal prezzo di acquisto più elevato delle celle a combustibile. Una tipica configurazione PC25 comprendente un banco da 800 kilowatt di quattro unità costa quasi $ 4 milioni, rispetto a meno di $ 2 milioni per un generatore di turbina a gas comparabile. Ma James Bolch, responsabile della produzione di International Fuel Cells, crede di poter portare i costi di produzione per la prossima generazione di celle a combustibile dell'azienda a livelli competitivi. Per cominciare, l'azienda sta abbandonando il suo attuale design di cella, con il suo elettrolita di acido fosforico, e si sta spostando verso una cella il cui elettrolita è una sottile membrana di plastica, che sta diventando uno standard industriale perché è meno costoso da produrre. Inoltre, l'azienda sta esplorando nuove tecniche per applicare il catalizzatore a base di platino da $ 20 per grammo in strati più sottili senza sacrificare le prestazioni, nonché progetti di piastre che aggiungono efficienza introducendo più efficacemente l'idrogeno alla membrana e incanalando l'acqua residua.

Naturalmente, International Fuel Cells deve prima aumentare il proprio volume prima di poter iniziare a sfruttare queste opportunità. Per fare ciò, l'azienda si è concentrata sui potenziali clienti che potrebbero essere disposti a pagare un significativo sovrapprezzo per sfruttare i vantaggi della cella a combustibile. Tali clienti includono quelli che richiedono una fonte di energia particolarmente affidabile - o semplicemente più energia di quella che può essere ottenuta dalla rete pubblica - così come il calore, e non vogliono convivere con le emissioni di una turbina a gas. Ci sono applicazioni in cui pagare $ 4.500 per kilowatt di capacità è un buon affare, insiste Guy Hatch, direttore delle attività residenziali presso l'azienda.

A quanto pare, ci sono molti potenziali clienti di questo tipo. I data center, ad esempio, richiedono una fonte di elettricità costante e stabile e in genere utilizzano un generatore locale per eliminare l'energia dalla rete o per sostenerla in caso di interruzione. La First National Bank of Omaha in Nebraska ha installato una serie di PC25 dopo che un'interruzione ha interrotto la sua rete di verifica della carta di credito, costando solo a uno dei suoi clienti, The Gap, 6 milioni di dollari di vendite. E non sono solo i computer ad aver bisogno di alimentazione affidabile: la struttura principale del servizio postale degli Stati Uniti ad Anchorage, AK, ha deciso di abbandonare la rete a favore dei PC25 quando ripetute interruzioni di corrente della durata di una frazione di secondo hanno causato l'inceppamento delle sue apparecchiature di smistamento. Alla cerimonia di inaugurazione della nuova attrezzatura, un blackout ha lasciato al buio la regione circostante mentre la struttura è rimasta pienamente operativa; le autorità presenti hanno dovuto assicurare agli osservatori che non si trattava di una manifestazione pianificata. Anche i siti nel cuore delle grandi città possono trovare l'energia elettrica non disponibile perché i cavi esistenti hanno quasi esaurito la loro capacità di portare più energia. New York è una di queste città; le carenze energetiche hanno spinto la stazione di polizia di Central Park a installare un PC25 al posto di rovinare l'ambiente bucolico con il lamento e i fumi di una tradizionale turbina a gas. L'edificio Cond Nast a Times Square gestisce un PC25 al quarto piano.

La capacità di far funzionare il calore di scarto del generatore di corrente a celle a combustibile è il fattore che fa funzionare i numeri per alcuni acquirenti. Oltre ad aiutare a riscaldare gli edifici in inverno, il calore può alimentare nei mesi più caldi un tipo di condizionatore d'aria chiamato refrigeratore ad assorbimento. First National stima un risparmio annuo di $ 200.000 sui costi di riscaldamento e utilizza persino l'acqua calda che esce dalla cella a combustibile per sciogliere ghiaccio e neve nella piazza della sua sede. Una potenziale grande riduzione delle bollette del riscaldamento e dell'aria condizionata è uno dei motivi per cui International Fuel Cells, insieme a Ballard, H Power e altri rivali, crede di poter convincere i proprietari di case di alto livello e attenti all'ambiente a scegliere unità che emettono circa cinque kilowatt e che potrebbe alla fine vendere per un minimo di $ 5.000 o giù di lì, anche se è probabile che le prime unità costino quattro volte tanto. Abbiamo parlato con un proprietario di casa che stava cercando di spendere $ 50.000 per i pannelli solari, afferma Hatch di International Fuel Cells, che pensa che $ 20.000 per una cella a combustibile non sembrino scandalosi in quel contesto.

Fino a che punto possono crescere queste mini centrali? Almeno un'azienda spera di produrre generatori a celle a combustibile che competano nel prezzo non solo con i piccoli generatori a turbina a gas, ma anche con i grandi generatori impiegati dalle utility. FuelCell Energy di Danbury, CT, ha evitato gli elettroliti solidi impiegati praticamente da ogni altro produttore di celle a combustibile a favore di un carbonato fuso. Il materiale svolge all'incirca la stessa funzione di conduzione dei protoni dalla piastra caricata negativamente a quella caricata positivamente mentre respinge gli elettroni. Ma consente un processo più semplice per riformare l'idrogeno, il che rappresenta un grande vantaggio tecnico quando si tratta di produzione di massa. Di conseguenza, FuelCell crede di poter produrre unità che generano fino a tre megawatt di potenza e funzionano con quasi l'80% di efficienza. È meglio di quanto possa raggiungere anche la più grande centrale di generazione di energia. Inoltre, l'elettricità può essere prodotta nel parcheggio dell'azienda consumatrice, invece di viaggiare attraverso chilometri di linee elettriche che sono costose da installare e mantenere. I servizi pubblici possono produrre elettricità a basso costo, afferma Jerry Leitman, CEO di FuelCell Energy. Ma la maggior parte del costo sta nella distribuzione e nella trasmissione.

Idrogeno per le masse

Anche se i generatori a celle a combustibile diventano più potenti ed efficienti, quasi tutti nel settore vedono il loro sviluppo più come un mezzo per raggiungere il mercato potenzialmente enorme delle auto alimentate a celle a combustibile che come una base per la rete elettrica di prossima generazione. In termini di tecnologia di base, la transizione sarebbe abbastanza semplice: le stesse membrane a sandwich che alimentano i prodotti del generatore elettrico possono essere collocate in pile più piccole e relativamente leggere in grado di produrre i 50 kilowatt circa necessari per alimentare un auto con motore elettrico mentre si inserisce in un bagagliaio o sotto un sedile posteriore. Nonostante il suo lungo interesse per la generazione di energia elettrica, International Fuel Cells, per esempio, è abbastanza aperta nell'usare il campo come trampolino di lancio per il tanto agognato mercato automobilistico. Il trasporto è ovviamente un obiettivo interessante e le applicazioni per la generazione di energia fanno parte del percorso, afferma il capo della produzione Bolch. La società ha già lavorato con BMW per produrre un'auto che funziona in parte con le sue celle a combustibile e con Hyundai per sviluppare un'auto completamente alimentata a celle a combustibile e afferma di essere in trattative con almeno altre quattro importanti case automobilistiche. Ha anche stretto accordi con Thor, uno dei principali produttori di bus navetta in Nord America, e Irisbus, uno dei principali produttori di autobus europei.

Tuttavia, le auto a celle a combustibile commercialmente valide rimangono distanti anni, e potrebbero essere decenni di distanza senza una svolta nella battaglia per ridurre i costi. In questo momento, dice Stroh, anche le economie di produzione di massa non permetterebbero alle celle a combustibile di avvicinarsi al prezzo dei motori a combustione interna, che vendono per circa $ 50 per kilowatt di celle a combustibile che superano la capacità di generazione di energia di un fattore di circa cento. Il solo costo dei materiali li renderebbe troppo costosi, afferma Stroh.

Forse è per questo che alcuni esperti ritengono che la generazione di energia basata su celle a combustibile e il mercato delle auto saranno alla fine fortemente intrecciati, con generatori e auto alimentati dalle stesse fonti. Swisher del Rocky Mountain Institute immagina uno scenario in cui i dipendenti dei siti industriali con generatori di energia a celle a combustibile riempiranno di idrogeno le loro auto a celle a combustibile mentre sono al lavoro e persino utilizzeranno le loro auto parcheggiate come generatori di energia supplementari. La capacità di interconnettere gli impianti di celle a combustibile sarebbe un catalizzatore nel mercato, dice, portando infine ad applicazioni simili per i proprietari di case.

Il risultato finale? Guardando più lontano, non è difficile evocare immagini di un'economia dell'idrogeno a tutti gli effetti, in cui le celle a combustibile alimentano qualsiasi cosa, dai computer portatili agli aeroplani e alle biciclette; infatti, versioni sperimentali di tutti e tre sono già in fase di sviluppo. Inoltre, se ogni casa, azienda e comunità gestisce celle a combustibile per la generazione di energia, allora potrebbe avere senso collegarle tutte insieme in un'enorme rete elettrica nazionale, magari controllata tramite Internet, in modo che l'energia in eccesso in qualsiasi luogo possa essere spontaneamente trasferiti in quei luoghi che soffrono di carenze.

Naturalmente, come sottolinea Stroh, anche se nessun ostacolo a un'economia dell'idrogeno sembra tecnicamente insormontabile, devono ancora essere superati innumerevoli ostacoli più piccoli. Ma dato che l'idrogeno costituisce il 75% di tutta la materia conosciuta ed è il carburante delle stelle, forse l'universo sta cercando di dirci qualcosa.

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