Pile a combustibile

Grazie a Toshiba, a partire dal primo trimestre del 2009 potremo finalmente vedere sul mercato i primi dispositivi commerciali alimentati da pile a combustibile (fuell cell). Si tratta della prima apparizione pubblica di una tecnologia lungamente attesa e dalla quale ci si aspetta molto. Ma come funzionano questi “cosi” ed in quale modo possono cambiare la nostra vita?

Pile e Pile a Combustibile

Le normali pile a ioni di Litio usate sui telefoni cellulari e sui computer portatili sono accumulatori di energia elettrica. Per caricarle si fornisce loro energia elettrica fino a “riempirle”. Questa energia viene usata per alimentare una reazione chimica che procede finchè sono disponibili i reagenti. Quando la batteria viene utilizzata, una reazione chimica inversa alla precedente fornisce l’energia elettrica di cui abbiamo bisogno. La pila si scarica quando si esauriscono i reagenti necessari alla reazione. A quel punto, la pila è “vuota” e la si può nuovamente caricare. Di conseguenza, una pila è solitamente un dispositivo chiuso, sigillato, da cui non entra e non esce niente (a parte la corrente elettrica). Lo si può concepire come un “contenitore riutilizzabile” di energia elettrica.

Pila a combustibile della NASA

Pila a combustibile della NASA

Figura 1: Una pila a combustibile DMFC dimostrativa della NASA (foto Wikimedia Commons presa da Wikipedia). La pila a combustibile è il cubo scuro al centro. La ventolina (che serve per l’evacuazione dell’aria umida di scarico) è alimentata dalla pila a combustibile.

A dispetto del suo nome, una pila a combustibile è invece un motore a tutti gli effetti. Più esattamente, si tratta di un generatore di corrente elettrochimico. Si tratta cioè di un dispositivo che converte energia da una forma all’altra (energia chimica in energia elettrica, nel nostro caso). Si alimenta la pila con un combustibile (da cui il nome) e questa fornisce energia elettrica. Quando si smette di fornire il combustibile, la pila smette di produrre energia elettrica. La pila accetta in ingresso un combustibile (nel nostro caso una miscela di alcol metilico al 3% in acqua distillata), un comburente (l’ossigeno contenuto nell’aria atomosferica) e rilascia allo scarico un flusso di aria calda che contiene l’acqua (vapore) e l’anidride carbonica prodotte dalla combustione. La pila a combustibile è quindi attraversata da un flusso di sostanze e produce un flusso di energia.

In altri termini, una pila a combustibile funziona più o meno come un normale motore a scoppio collegato ad un generatore di corrente.

Come funzionano le Pile a Combustibile

Tutte le tipologie di pile a combustibile di cui si ipotizza l’uso sui telefoni e sui computer si basano sullo stesso principio: si fa in modo che un combustibile (di solito idrogeno gassoso o qualche idrocarburo che contiene idrogeno) ed un comburente (di solito l’ossigeno atmosferico) entrino in contatto tra loro sui due lati opposti di una membrana e diano origine ad una reazione di ossidazione (cioè una “combustione”) “stimolata” da un apposito catalizzatore a base di Platino e Rutenio. Questa reazione è esattamente la stessa che avviene sul fornello del gas tra il metano e l’ossigeno atmosferico. La differenza è che, all’interno delle pile a combustibile questa reazione avviene in fase liquida e senza fiamma. All’interno della pila viene ugualmente liberata una piccola quantità di calore ma il grosso dell’energia chimica (dal 30 al 40%) viene convertita in energia elettrica invece che in calore.

Più esattamente, all’interno della pila a combustibile si producono due flussi opposti di cariche elettriche. Il primo è un flusso di nuclei di atomi di idrogeno, cioè di protoni, che scorre attraverso la membrana. Il secondo è un flusso di elettroni che scorre tra gli elettrodi collegati alla pila e che alimenta il dispositivo elettrico a cui essa è collegata.

Questo tipo di pile a combustibile è noto come PEM (Proton Exchange Membrane) ed è il tipo più comune, più semplice e più diffuso di pila a combustibile. Queste pile sono abitualmente alimentate con idrogeno gassoso, che non potrebbe essere usato sui telefoni e sui computer per ragioni di sicurezza, per cui il tipo di pila a combustibile che vedremo realmente sul mercato è una variante delle pile PEM: la pila a metanolo diretto o DMFC (Direct Methanol Fuel Cell).

In questo tipo di pile a combustibile, il combustibile utilizzato è una miscela molto diluita di metanolo (alcol metilico) in acqua. Questa miscela ha un basso potere energetico ma è molto sicura (non è infiammabile, non è tossica e non è corrosiva). La bassa potenza di queste pile le condanna ad applicazioni che comportano bassi assorbimenti elettrici, come i telefoni cellulari, ma la loro sicurezza le rende molto appetibili per il mercato “consumer” (dove deve essere prevista, ad esempio, la presenza di bambini).

Schema di pila DMFC

Schema di pila DMFC

Figura 2: Schema funzionale di una pila a combustibile di tipo PEM. Immagine Wikimedia Commons presa da Wikipedia.

Vantaggi e Svantaggi

I vantaggi sono evidenti: è possibile produrre energia elettrica sul posto, a partire da una miscela di acqua ed alcol metilico. Il sistema è del tutto silenzioso e rilascia solo un piccolo flusso di aria umida e di anidride carbonica. La pila è relativamente semplice da costruire e può essere piccola e leggera. Si tratta quindi di un interessante sostituto delle normali pile a ioni di Litio.

Tra gli svantaggi, c’è il fatto di usare metalli molto preziosi. Il Platino ed il Reutenio usati come catalizzatori sono molto più rari dell’Oro e sono quindi molto più costosi. Il Platino, ad esempio, costa circa il doppio dell’oro. Questi metalli devono essere applicati al supporto in modo da massimizzare la superficie di contatto e quindi richiedono anche un trattamento particolare e costoso.

Si è calcolato che se si volesse convertire a pile a combustibile tutte le automobili esistenti sarebbe necessaria una quantità di Platino quattro volte superiore a quella che è effettivamente disponibile sul nostro pianeta.

Condizioni operative

Le pile a combustibile operano sempre a temperature più elevate di quella ambientale. Questa è una conseguenza del fatto che al loro interno deve essere mantenuta in vita una reazione chimica che, per sua natura, richiede una certa quantità di energia di attivazione. Questa energia viene fornita dal calore.

In particolare, le pile a combustibile di tipo DMFC, usate per i telefoni cellulari e per i computer portatili, devono mantenere una temperatura interna compresa tra 60 e 90 °C per funzionare correttamente. Una volta messe in funzione, la normale dispersione termica che caratterizza qualunque dispositivo termodinamico fornisce il calore necessario alla reazione. Tuttavia, è possibile che avviare la reazione e mantenerla in vita in climi molto freddi possa essere meno semplice di quello che ci si potrebbe aspettare.

Viceversa, questo tipo di pile non soffre il caldo, almeno fino ai 70 od 80 °C che possono prodursi all’interno dell’abitacolo di una automobile parcheggiata sotto il sole. Da questo punto di vista le pile a combustibile sono molto più resistenti delle attuali pile a ioni di Litio.

In ogni caso, le pile a combustibile non “scaldano” più di quanto faccia la circuiteria interna del telefono. Le potenze in gioco sono talmente ridotte che è difficile percepire l’aumento di temperatura al tatto.

Le pile a combustibile risentono meno degli schock meccanici rispetto alle pile tradizionali perchè la loro struttura interna è meno legata al rispetto di precisi vincoli dimensionali e posizionali.

Telefoni Cellulari, Computer Portatili e Veicoli

Le pile a combustibile di tipo DMFC sono particolarmente adatte all’uso su dispositivi portatili, grazie alla loro assoluta silenziosità, al loro funzionamento “freddo”, ed alla loro leggerezza e compattezza.

Sono invece molto meno adatte all’uso su veicoli (auto, moto, aerei e simili) di quanto si potrebbe pensare. Quando pesi, ingombri e silenziosità sono parametri meno stringenti di quanto avviene sui telefoni cellulari e sui computer portatili, le pile a combustibile sono costrette a misurarsi con altre tecnologie molto più adatte allo scopo.

Figura 3: La “1 Litre car” di Volkswagen, annunciata nel lontano 2002, è una “banale” auto a due posti in materiale composito che pesa solo 290 Kg e viene spinta da un “normale” motore diesel di circa 300 cc (circa 9 CV). Consuma circa un litro di gasolio per 100 Km (si, proprio 1L/100Km). Tutto questo senza fare uso di celle a combustibile o altre diavolerie. Sembra che la vedremo su strada nel 2010 ad un prezzo compreso tra 20 e 30.000 euro (vedi OmniaAuto). Altre foto a SeriousWheels.

I motori Stirling, ad esempio, permettono di bruciare quasi qualunque tipo di combustibile in modo quasi completamente silenzioso e con buoni risultati di efficienza. I normali motori Diesel, nella realtà pratica, possono facilmente raggiungere dei livelli di efficienza pari o superiori a quello delle pile a combustibile DMFC commerciali, con tutto quello che ciò comporta in termini di consumi e di inquinamento. Persino un normale motore a ciclo Otto alimentato a GPL od a metano può raggiungere risultati pratici equivalenti a quelli di una pila a combustibile di tipo DMFC commerciale, sia come efficienza che come inquinamento.

L’unica applicazione pratica delle pile a combustibile nel settore dei trasporti si è avuto finora sui sommergibili, come nel caso degli italo-tedeschi Type212, noti in Italia come “Sommergibili Classe Salvatore Todaro”. Questo perchè il funzionamento silenzioso delle pile permette di sfuggire ai sonar avversari. Va però detto che il tipo di pile a combustibile usato sui sommergibili ed in altre applicazioni è diverso dalle pile PEM o DMFC usate sui dispositivi portatili. Le pile a combustibile ad ossido solido, concepite per il mercato degli autotrasporti, e le pile a combustibile alcaline, usate sulle sonde spaziali, possono avere prestazioni molto superiori alle normali pile PEM e DMFC.

Figura 4: Il sommergibile italiano Salvatore Todaro, dotato di sistema propulsivo basato su celle a combustibile (di tipo diverso da quello usato sui telefoni cellulari).

Dimensioni e pesi

I prototipi che sono stati mostrati negli anni scorsi da Toshiba (vedi “history of Toshiba DMFC”) e da altri produttori hanno messo in evidenza un fatto: è difficile che questo tipo di pile possa avere le stesse dimensioni delle normali pile a ioni di Litio, a parità di prestazioni. Il prototipo di laptop di Toshiba, ad esempio, mostrava una significativa “gobba” sul retro. Il prototipo del cellulare Toshiba, invece, sembra essere solo un po’ meno sottile del solito. Tuttavia, è difficile dire se questa miniaturizzazione non sia stata ottenuta a discapito dell’autonomia.

I pesi, comunque, dovrebbero essere paragonabili (a parità di prestazioni).

Costi

Sul piano dei costi, non c’è da farsi delle illusioni. Le pile a combustibile sono dispositivi innovativi e piuttosto costosi da produrre per cui è molto difficile che possano costare quanto le normali pile al Litio usate dai telefoni cellulari e dai computer portatili di oggi. Una facile previsione è che possano costare almeno il 30% od il 50% in più delle corrispondenti pile al Litio. Non è improbabile che possano costare anche il doppio di esse, almeno nelle prime applicazioni commerciali.

Il metanolo usato come combustibile, in sé, sarebbe un prodotto estremamente economico (meno di un euro al litro) e sarebbe comunque usato in piccolissime quantità (alcuni millilitri alla volta, oltretutto di una soluzione molto diluita). Tuttavia, l’esigenza di usare metanolo relativamente puro, ed i soliti costi di distribuzione, faranno sicuramente lievitare i prezzi (nella solita misura esorbitante a cui siamo abituati sul libero mercato). Molto probabilmente, una bottiglietta di metanolo per celle a combustibile da 50 millilitri (un ventesimo di litro) potrà costare alcuni euro, vanificando completamente l’economicità del combustibile di base.

Autonomia

Le previsioni di impiego parlano di una autonomia almeno doppia rispetto alle pile attuali, cioè circa sei ore di conversazione effettive contro le circa tre rese possibili dalle normali pile al Litio. Un telefono cellulare dovrebbe quindi funzionare tranquillamente per almeno 4 o 5 giorni, se usato normalmente. Una autonomia media di una settimana o dieci giorni non dovrebbe essere un traguardo troppo lontano.

Naturalmente, bisogna tenere conto del fatto che ricaricare una pila a combustibile richiede solo pochi secondi mentre ricaricare una pila a ioni di litio richiede almeno un’ora. Questo vuol dire che chi userà una pila a combustibile potrà lasciare a casa il caricabatterie e, al momento del bisogno, potrà acquistare una bottiglietta di metanolo per pochi euro presso qualunque tabaccaio.

Vita operativa della Pila

Il catalizzatore utilizzato può facilmente essere messo fuori uso da vari tipi di inquinanti presenti nel combustibile. D’altro canto, le pile a combustibile non risentono in modo particolare di sbalzi di temperatura, di cicli di carica e scarica brutali, di effetto memoria e di altri problemi che affliggono le normali pile al Litio.

La durata della pila dipende quindi quasi completamente dalla qualità del combustibile utilizzato. In presenza di un combustibile adeguato, gli studi di laboratorio farebbero sperare in una vita operativa di almeno diversi anni. In altri termini, le pile a combustibile dovrebbero durare almeno quanto le normali pile a ioni di Litio. Non è azzardato aspettarsi una vita operativa molto maggiore.

Si noti che il comportamento delle pile a combustibile è lo stesso di una normale automobile: finita la benzina si resta a piedi, senza nessun preavviso. Appena fatto il pieno si può ripartire, senza nessuna attesa.

In linea di principio, il comportamento delle pile DMFC dovrebbe restare costante lungo tutto il loro ciclo di vita. Nella realtà, la presenza di tracce di inquinanti nel combustibile e altri fenomeni possono produrre un progressivo “invecchiamento” della pila. Quanto questo invecchiamemnto possa essere reale, e quanto possa essere un problema, è ancora tutto da verificare sul campo.

Combustibile

Il combustibile utilizzato è metanolo (alcol metilico). Più esattamente, si tratta di una soluzione di alcol metilico in acqua (solitamente al 3% – 5%). Sembra che sarà venduto nelle tabaccherie e/o nei negozi di telefoni in bottigliette da 50 o 100 millilitri (cioè un ventesimo od decimo di litro) che dovrebbero essere sufficienti per almeno 15 o 30 ricariche rispettivamente (e quindi per diversi mesi di utilizzo). Su di un telefono cellulare, una ricarica dovrebbe essere di 3 o 4 millilitri, cioè più o meno lo stesso contenuto di una normale tazzina di caffè.

Sulla reale disponibilità di questo tipo di combustibile sul mercato, è legittimo nutrire qualche dubbio. Finchè non ci sarà un consumo adeguato, e finchè non si sarà imposto uno standard, è probabile che solo nei grandi centri abitati sarà possibile acquistare questo combustibile nelle comuni tabaccherie e nei negozi di elettronica.

Rischi

Le pile a combustibile di cui stiamo parlando (DMFC) non rilasciano idrogeno allo stato gassoso e quindi non possono prendere fuoco e non possono esplodere.

Il metanolo usato come combustibile è tossico se ingerito. Si tratta infatti dello stesso alcol metilico che, negli anni ’80 qualche produttore di vino, criminale ed irresponsabile, ha usato per innalzare abusivamente il grado alcolico del vino di poco prezzo (vedi “vino al metanolo, vent’anni dopo” sul sito di altroconsumo). Come ricorderete, in quell’occasione il metanolo ha ucciso alcune persone e ne ha accecate molte altre. Il metanolo, infatti, uccide per primi i neuroni della corteccia visiva, producendo un tipo di cecità che non dipende dagli occhi.

Tuttavia, le piccolissime quantità di combustibile in gioco (la bottiglietta da 100 cc corrisponde ad un bicchiere da vino) e le bassissime concentrazioni di alcol metilico presenti al suo interno (meno del 5%) rendono questo tipo di combustibile molto sicuro. Questo dovrebbe rendere questo combustibile accettabile anche in ambienti che sono frequentati da bambini. Restano ovviamente valide le solite precauzioni d’uso tipiche di qualunque prodotto chimico.

Questo tipo di combustibile è composto quasi completamente da acqua distillata (dal 95% al 97%, per essere più precisi) e di conseguenza non è infiammabile, almeno non più di quanto lo sia la comune birra (che contiene circa il 5% di alcol etilico).

Prima che i soliti “tossici” si facciano venire delle idee strane, sarà opportuno precisare che il metanolo, a queste concentrazioni, non produce nessun effetto sul cervello. Non ci si può sbronzare con questo tipo di combustibile, neanche bevendone un bidone. Non si possono fare nemmeno dei “viaggi al metanolo”, neanche iniettandoselo in vena. Per questi scopi, il metanolo è inutile (e pericoloso) almeno quanto il detersivo per i piatti.

Gestione

Dal punto di vista pratico, ci si aspetta che il combustibile venga venduto in bottigliette da 50 o 100 ml dotate di dosatore. Per alimentare il telefono dovrebbe essere sufficiente iniettare alcuni millilitri di soluzione in un apposito “serbatoio”, più o meno come si era soliti fare con i vecchi accendisigari a benzina (gli Zippo). Non è ancora chiaro se verrà suggerito l’uso di una apposita siringa dosatrice per facilitare questa operazione di rifornimento.

Una volta fatto rifornimento, il telefono può essere subito utilizzato. L’emissione di calore della pila non dovrebbe essere avvertibile.

L’acqua e l’anidride carbonica emesse dalla pila sono evacuate grazie ad un apposito condotto di scarico (del diametro di uno o due millimetri) che non deve essere occluso. Non è quindi necessario “svuotare” la pila ad intervalli regolari per liberarla dai prodotti di reazione.

Inquinamento durante il funzionamento

In generale, le pile a combustibile emettono solo anidride carbonica ed acqua. Nel caso specifico delle pile DMFC usate sui telefoni cellulari e sui computer portatili, questi dispositivi emettono una minuscola “colonna d’aria”, calda ed umida, che esce da un piccolo tubo di sfiato. La quantità di anidride carbonica e acqua emessa in questo modo è equivalente a quella emessa da un passero.

Le tracce di Zolfo ed altri inquinanti eventualmente presenti nel combustibile andrebbero solo ad intasare il catalizzatore ed obbligherebbero a sostituire la pila (con tutto quello che comporta sul piano ecologico) ma non si disperderebbero comunque in atmosfera. Dal punto di vista dell’inquinamento, le pile a combustibile sono decisamente meno inquinanti di molti altri dispositivi.

Smaltimento

Lo smaltimento delle pile esauste è simile a quello delle normali pile al litio. In entrambi i casi, questi dispositivi devono essere smontati per recuperare i metalli che contengono (platino, rutenio e oro nel caso delle pile a combustibile, litio nel caso delle pile al litio). Questo recupero viene effettuato per ragioni economiche, non ecologiche, e quindi si può star sicuri che verrà effettuato.

Le pile a combustibile, come le normali pile al Litio, hanno un contenitore il plastica ed alcuni elementi in metalli comuni (ferro e rame) che vanno smaltiti insieme al resto della plastica.

In buona sostanza, l’inquinamento che queste pile producono al momento dello smaltimento è più o meno lo stesso prodotto dalle normali pile a ioni di litio.

Alessandro Bottoni

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Comments
4 Responses to “Pile a combustibile”
  1. Alessandro ha detto:

    Un unico appunto: se la tossicità del metanolo è 0,3-1 g per Kg di peso corporeo (Wikipedia) e la concentrazione della miscela combustibile è al 3%, dovrebbe essere sufficiente scolarsi 3 litri di miscela (molto meno di un bidone) per salutare tutti quanti.

    Alessandro

  2. MG ha detto:

    Il che escluderebbe di fatto le persone dotate di buon senso, tutto sommato si tratterebbe comunque di una specie di selezione darwiniana, quindi del tutto accettabile :-)
    Il problema dello smaltimento invece non mi convince perché è demandato ad enti, i Comuni, che solitamente subappaltano tali sistemi a ditte esterne che sempre più spesso piuttosto che smaltire preferiscono nascondere in discarica il materiale.
    Ora il platino dovrebbe essere più sicuro dal punto di vista dell’inquinamento rispetto al litio, almeno credo non essendo io un esperto in materia, ma le concentrazioni potrebbero alla lunga portare comunque ad un inquinamento del terreno.
    O no?

  3. Al.Farese ha detto:

    Io voglio proprio sperare che almeno il PLATINO, visto che è più prezioso dell’oro si reciclerà…perchè oltre all’inquinamento..che potrebbe essere pure limitato visto le piccole concentrazione..sarebbe uno spreco di una risorsa non rinnovabile..e uno sperpero di denaro visto il valore economico altissimo.

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