Pile a Combustibile, la grande promessa

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 finché 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.

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 atmosferica) 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 esattamente come un normale motore a scoppio collegato ad un generatore di corrente.
La differenza, naturalmente, è che non c’è nessuno scoppio. La produzione di energia elettrica è resa possibile da una apposita membrana e da un apposito catalizzatore che si trovano all’interno della pila. Il combustibile e il comburente vengono portati sui due lati della membrana ed entrano in contatto tra di loro grazie ai pori della membrana stessa. Un apposito catalizzatore (platino + rutenio) “stimola” la reazione tra l’alcol metilico e l’ossigeno atmosferico. Questa reazione rilascia degli elettroni che vengono catturati, incanalati lungo dei fili di rame e portati al telefono cellulare. Questo flusso di elettroni è, appunto, la corrente elettrica (a 3,6 volt) che alimenta il dispositivo. La stessa reazione chimica produce anche un flusso di protoni (nuclei di idrogeno) che attraversano la membrana, completando la reazione sull’altro lato.

Si tratta quindi di una reazione controllata, che avviene all’interno di una soluzione acquosa, non di una combustione libera ed esplosiva come quella che ha luogo all’interno di un motore a scoppio. 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.
In linea di principio, potrebbe essere anche molto più efficiente dal punto di vista termodinamico e quindi sia l’autonomia che la potenza di questi dispositivi potrebbero essere più elevati. Nella realtà, per costruire pile a combustibile che sfruttino fino in fondo la loro maggiore efficienza termodinamica, bisognerebbe alimentarle con idrogeno gassoso. Sfortunatamente, l’idrogeno gassoso è altamente infiammabile, e può dare origine a miscele esplosive, per cui non può essere impiegato in queste applicazioni (si tratta dello stesso gas che è stato all’origine della tragedia del Dirigibile Hindemburg ).
Di conseguenza, le pile a combustibile che vedremo sul mercato avranno efficienze termodinamiche molto simili a quelle delle normali pile al litio, con tutto quello che ciò comporta in termini di autonomia e potenza.

Tra gli svantaggi, c’è il fatto di usare metalli molto preziosi. Il platino ed il rutenio 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. In particolare, quelle 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 (“motore”) termodinamico fornisce il calore necessario. 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 perché 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 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.

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 termodinamica pari o superiori a quello delle pile a combustibile, con tutto quello che 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, sia come efficienza che come inquinamento.

L’unica applicazione pratica delle pile a combustibile nel settore dei trasporti si è avuta 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.

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, almeno all’inizio. 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. 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. 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. 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, tutte 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.

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 e del rusco “secco”.
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.

Conclusioni
Ben vengano le pile a combustibile sui telefoni cellulari e sui computer portatili. Possono rappresentare una interessante alternativa alle comuni pile a ioni di litio per tutti quegli utilizzatori che fanno un uso intensivo di questi strumenti, come i programmatori che amano lavorare all’aperto durante la bella stagione.
Ben vengano anche come alternativa per quei paesi, come l’India, che ancora non hanno una rete elettrica in grado di raggiungere i punti più remoti del paese.
Per gli utilizzatori più normali, come probabilmente siamo voi ed io, si tratterà solo di una opportunità in più, da valutare sulla base dei costi e delle offerte commerciali come qualunque altra.
Di sicuro, è difficile che l’applicazione delle pile a combustibile sui dispositivi portatili possa favorire una loro applicazione nel settore dei trasporti. Come abbiamo già detto, esistono soluzioni più interessanti delle pile a combustibile per quel tipo di applicazioni.

Alessandro Bottoni