OTTOBRE 2020 PAG. 48 - Shipping ecosostenibile con le fuel cells

 

I trasporti via mare sono cresciuti significativamente negli ultimi decenni, grazie allo sviluppo di alcune economie emergenti come la Cina e l’India e, in generale, ad un incremento della globalizzazione dei mercati. La notevole crescita dei trasporti via mare ha importanti impatti sull’ecosistema, evidenziando l’esigenza di preservare l’ambiente e la salute umana, sempre più compromessi dall’inevitabile aumento delle emissioni nocive. 

In prossimità dei maggiori porti europei, infatti, l’inquinamento dell’aria riconducibile alle navi in esercizio va dal 55% al 77% pertanto, per abbassare ragionevolmente le emissioni, molti armatori optano per l’introduzione di soluzioni Zero Emission.
I motori principali delle navi sono alimentati da Heavy Fuel Oil, un combustibile economico ma altamente inquinante in quanto al suo interno sono presenti alti livelli di asfaltene, zolfo ed altro, i quali fanno sì che l’HFO in fase di combustione produca rilevanti emissioni nocive in ambiente.
Quindi la soluzione più ragionevole è usare combustibili alternativi, fonti di energia totalmente o parzialmente pulita, che hanno il potenziale di contribuire al processo di decarbonizzazione e migliorare l’impatto ambientale dei trasport

i via mare.
Le varie alternative più studiate sono il GNL, il biodiesel, il metanolo e l’energia elettrica, nello specifico riguardo quest’ultima, con uso di batterie e celle a combustibile.
Tra le tecnologie più promettenti che certamente possono ridurre le emissioni nocive in ambiente vi sono le celle a combustibile, costituite da un dispositivo in grado di trasformare l’energia derivante da una reazione chimica, tra idrogeno e l’ossidante, in energia elettrica.
L’idrogeno puro è infatti il combustibile principalmente usato dalle fuel cells che ha un enorme potenziale come fonte di energia pulita e in fase di combustione fornisce un quantitativo energetico pari a circa tre volte quello dalla benzina.

Per contro ci sono ancora degli svantaggi legati allo stoccaggio: sia i serbatoi ad alta pressione (700 bar a 15°C circa) che quelli criogenici (a -250 °C) non risolvono definitivamente la problematica dello spazio, si tratterebbe di serbatoi ingombranti per quantità esigue di combustibile; in più non esistono delle normative specifiche che regolano lo stoccaggio e l’uso dell’idrogeno a bordo delle navi.
Una soluzione attualmente in fase di studio è lo stoccaggio in idruri sintetici, come il metanolo, con la possibilità di reforming on demand che genera un gas ricco di idrogeno, pronto per l’uso nelle celle a combustibile. Questa opzione, adottabile nel breve termine, risolverebbe il duplice problema dello stoccaggio e della reperibilità dell’idrogeno a bordo. 

Il metanolo (noto anche come alcol metilico o spirito di legno, facilmente reperibile dal ferramenta) è il più semplice degli alcoli, la sua formula chimica è CH3OH.
Il principio di funzionamento delle fuel cell sfrutta un processo in cui all’anodo viene fornito idrogeno, o un gas ricco di idrogeno, al catodo l’ossidante, tipicamente aria. La reazione elettrochimica ha luogo agli elettrodi e produce corrente continua.
Esistono varie tipologie di fuel cell, ognuna delle quali opera ad un diverso intervallo di temperature, con diversa tolleranza nei confronti dei maggiori contaminanti del gas ricco di idrogeno, ossia la CO e la CO2.

Temperature maggiori consentono una migliore tolleranza dei contaminanti, consentendo di utilizzare gas ricchi di idrogeno al posto dell’idrogeno puro che viene richiesto ad esempio nelle AFC – Alkaline Fuel Cells, utilizzate prevalentemente per sommergibili ed applicazioni nello spazio.
Le applicazioni dipendono fortemente dalla taglia, potenza e temperature operative della cella, dalla generazione di elettricità di pochi Watt fino alle applicazioni più importanti come per i trasporti o per i progetti militari.

La struttura basilare di una singola cella a combustibile consiste in uno strato di elettrolita a contatto con un anodo poroso e, all’altra faccia, con il catodo. Si tratta quindi di un dispositivo che è in grado di produrre energia a zero emissioni, dal momento che il prodotto della combustione è acqua in forma di vapore.  Figura 1

È una tecnologia che porta svariati vantaggi, infatti le fuel cells oltre ad essere totalmente zero emissions, sono anche silenziose: non essendo presenti rotismi interni o parti in moto relativo tra di loro, eliminano totalmente i problemi relativi a vibrazioni e rumore. Sono inoltre modulabili e possono essere installate ovunque, grazie alla capacità di poter raggiungere la potenza desiderata combinando più moduli. Inoltre le celle a combustibile, rispetto ai motori a combustione interna, hanno efficienze decisamente più elevate, dal 50% al 60%, a fronte di un 40%.
Gli svantaggi presenti sono legati ad aspetti migliorabili della tecnologia, precisamente costi specifici elevati, destinati comunque a diminuire nel momento in cui aumenta la richiesta sul mercato, un ciclo di vita limitato che decresce alle elevate temperature e la reperibilità dell’idrogeno.
Soluzioni di propulsione ibrida con celle a combustibile sono attualmente oggetto di studio; per applicazioni nel breve termine è possibile adottare celle a combustibile a bassa temperatura con sistema di reforming a bordo delle navi. 

La tesi di ricerca che ho elaborato ha evidenziato che tale installazione è fattibile, non solo per la produzione di energia elettrica a bordo, ma anche per la propulsione. I vantaggi dal punto di vista ambientale sono notevoli: con le sole fuel cell operative vengono eliminate totalmente le emissioni nocive in aria (SOx, NOx e PM) e si riducono sensibilmente le emissioni da CO2, che in questo caso derivano soltanto dal processo di estrazione dell’idrogeno dal metanolo e sono in quantità esigue rispetto alla classica propulsione diesel meccanica.

Inoltre, grazie all’adozione di un sistema di propulsione ibrida combinata con fuel cells, per tutti i profili operativi ipotizzati nel lavoro di ricerca, si diminuisce il consumo specifico di carburante con i motori principali funzionanti, quindi emissioni globalmente ridotte.
Si tratta quindi di un sistema di propulsione totalmente innovativo che nel medio termine potrebbe essere in grado di garantire una navigazione pulita ed ecosostenibile, consentendo inoltre l’accesso anche ad aree marine protette senza inquinare l’ambiente.

Benedetta D’Amato