Celle a combustibile orientate al futuro: Energia e calore con il biogas

Come funziona un sistema di celle a combustibile? Simile a un'unità convenzionale di cogenerazione (CHP), un sistema di celle a combustibile, a differenza di altri sistemi di riscaldamento, genera simultaneamente calore ed elettricità dalla fonte di energia, in questo caso il biogas. In questo caso, il biogas serve come fornitore di energia per innescare una reazione chimica, che è necessaria per far funzionare il riscaldamento e le utenze elettriche.

La cella a combustibile consiste essenzialmente in un anodo e un catodo, che sono separati da un elettrolita con una membrana solida e permeabile agli ioni. Questo crea la base per la necessaria reazione chimica tra ossigeno (O) e idrogeno (H) per formare acqua (H2O). Il biogas serve come fornitore di idrogeno. Cosa succede esattamente quando ossigeno e idrogeno reagiscono? Si chiama combustione fredda. La membrana costringe l'idrogeno a dividersi in protoni ed elettroni. I protoni possono viaggiare attraverso la membrana, mentre gli elettroni viaggiano verso il catodo, generando elettricità. Allo stesso tempo, la reazione delle particelle rimanenti nel catodo con l'acqua genera calore di processo come energia di riscaldamento.

La cella a combustibile è stata inventata già nel 1838 da Christian Friedrich Schönbein. Ma il suo successo fu inizialmente ostacolato da un'altra invenzione: Il motore elettrico di Werner Siemens rivoluzionò la tecnologia energetica nel 1856, e ci vollero quasi 100 anni prima che la cella a combustibile raggiungesse tardivamente una svolta di successo nei viaggi spaziali. Questo è stato seguito dallo sviluppo di ulteriori applicazioni nella tecnologia dei veicoli e del riscaldamento. 

Stato attuale della tecnologia delle celle a combustibile

Dagli anni 1990, in Svizzera è stato fatto un lavoro intenso sullo sviluppo di dispositivi a celle a combustibile per la generazione di elettricità e calore per il settore privato. Winterthur è considerata il centro della ricerca svizzera sulle celle a combustibile. Qui, la preferenza è data alla tecnologia delle celle ad alta temperatura SOFC con una temperatura di funzionamento di circa 850 ºC, mentre in Giappone si usano principalmente le celle a bassa temperatura PEMFC, che funzionano a 40 - 160 gradi Celsius.

Le aziende di tutto il mondo stanno lavorando senza sosta per ridurre lo svantaggio degli alti costi di investimento che comporta l'acquisizione della nuova tecnologia. La cella a combustibile inghiotte la parte del leone del prezzo. Ci sono due ragioni per questo: I costi di fabbricazione molto alti e il numero ancora molto piccolo di unità, che è lontano dalla produzione di massa. Per questo motivo, i produttori in Svizzera stanno cercando di aumentare l'accettazione tra i proprietari di case offrendo incentivi e sottolineando i vantaggi speciali di questa fonte di energia ecologica. Inoltre, l'industria svizzera del gas sta promuovendo l'uso di questa fonte di energia, che è ideale per il funzionamento dei sistemi di celle a combustibile, sovvenzionando il biogas.

In Svizzera in particolare, il biogas ha raggiunto uno status elevato come energia rinnovabile. In contrasto con la sua variante fossile del gas naturale, il biogas può teoricamente essere prodotto all'infinito e ottiene anche punti per la combustione pulita con un contenuto inquinante significativamente inferiore. Pertanto, il biogas è l'energia motrice ideale per un sistema di riscaldamento basato su celle a combustibile nel settore privato.

Quanto costa la nuova tecnologia?

I costi di acquisto (ancora) molto alti sono già stati menzionati, e purtroppo i sistemi a celle a combustibile in Svizzera non sono (ancora) sovvenzionati dallo stato al momento. Questo si traduce in un numero significativamente inferiore di sistemi installati, solo poche centinaia in Svizzera, in contrasto con la vicina Germania, dove sono sovvenzionati fino a 13.000 franchi svizzeri per famiglia. C'è da sperare che un programma di sovvenzioni sostenga anche in questo paese questa tecnologia lungimirante ed ecologica. Con prezzi medi dei sistemi di circa 30.000-50.000 franchi, a seconda delle dimensioni e del tipo, la tecnologia è ancora lontana dall'essere diffusa.

Oggi, l'efficienza complessiva raggiunge già quasi il 90%. Questo è un risultato notevole e potrebbe anche essere aumentato in futuro se l'elettricità necessaria per l'elettrolisi fosse generata da un sistema fotovoltaico e non dal gas. Tuttavia, la tecnologia necessaria non è ancora disponibile a prezzi accessibili. Inoltre, un sistema di riscaldamento a gas di supporto deve essere integrato al momento, ma questo è già incluso nei prezzi di cui sopra. L'efficienza del sistema è significativamente migliorata dall'installazione di un serbatoio di stoccaggio tampone. 

Una prospettiva futura

La tecnologia delle celle a combustibile per le abitazioni private è ancora una forma giovane di generazione di energia; fino al 2015, i sistemi di celle a combustibile sono stati utilizzati solo come prototipi in progetti di ricerca in case modello. Da questo punto di vista, la loro diffusione si è sviluppata rapidamente, da praticamente zero cinque anni fa a diverse centinaia nel 2020, e anche molto di più in altri paesi. Questo aiuta ad abbassare gradualmente il prezzo di produzione per unità e a rendere questa alternativa energetica commerciabile.

Un grande vantaggio a favore della tecnologia delle celle a combustibile è la versatilità e la flessibilità dell'energia primaria richiesta. Per produrre idrogeno, non solo si può usare il gas naturale, ma anche altre fonti di energia prodotte in modo rigenerativo. Tutto ciò che serve è una fornitura di energia che liberi l'idrogeno abbondante dal suo legame chimico stabile con un altro elemento. Le energie primarie ecologiche adatte sono: Biogas, bioetanolo, elettricità da energia eolica ed elettricità da energia solare.

Una cosa è chiara: chi installa oggi un sistema di tecnologia a celle a combustibile per coprire il consumo di energia per il riscaldamento e di elettricità della propria casa, sta anche investendo nel futuro. Queste moderne caldaie a tutto tondo sono collegate a Internet come standard, in modo che qualsiasi irregolarità possa essere non solo registrata allo stesso tempo, ma anche corretta dalla manutenzione a distanza. Tutto questo rende i sistemi di celle a combustibile la tecnologia energetica del XXI secolo.

Autore: Maximilian Pawelzik, Baufritz AG, pioniere dell'eco-casa