Il rendimento delle celle a combustibile

Una cella a combustibile è spesso presentata come più efficiente di un motore termico, e in linea di principio è vero: convertendo direttamente energia chimica in elettricità, non è soggetta al limite di Carnot che frena i motori a combustione. Ma il rendimento reale di una cella è molto più basso del valore ideale, perché sotto carico entrano in gioco perdite inevitabili.

Vediamo da dove nasce il rendimento termodinamico ideale, perché la cella non soffre del limite di Carnot, quali perdite la affliggono in esercizio e come si confronta davvero con un motore termico.

Il rendimento termodinamico ideale

Il rendimento massimo di una cella a combustibile è fissato dalla termodinamica. L’energia chimica liberata dalla reazione è l’entalpia ΔH, ma solo una parte di essa — l’energia libera di Gibbs ΔG — è convertibile in lavoro elettrico utile; il resto si manifesta come calore legato alla variazione di entropia. Il rendimento ideale è quindi il rapporto fra ciò che è convertibile e ciò che è disponibile.

η_max = ΔGΔH  (rendimento termodinamico ideale)

Per la reazione idrogeno-ossigeno questo rapporto è dell’ordine dell’80% in condizioni standard, un valore già di per sé alto. Per altri combustibili può essere ancora maggiore: per la reazione del metanolo con l’ossigeno, ad esempio, il rapporto ΔG/ΔH supera il 90%. È un limite superiore teorico: nessuna cella reale lo raggiunge, ma indica quanta energia sarebbe in linea di principio estraibile.

Niente limite di Carnot

Il vantaggio concettuale della cella a combustibile è che non è una macchina termica. Un motore a combustione converte energia chimica prima in calore e poi in lavoro, ed è perciò soggetto al limite di Carnot, che lega il rendimento massimo alle temperature fra cui lavora la macchina e lo tiene tipicamente sotto il 40-50%. La cella, convertendo direttamente energia chimica in elettricità, salta lo stadio termico e non è vincolata da Carnot. Attenzione però: questo non significa automaticamente che una cella reale sia più efficiente di un buon motore o di altre tecnologie; lo è solo se le sue perdite restano contenute.

Le perdite reali

Sotto carico, la tensione di una cella scende ben al di sotto del valore ideale di 1,23 V, e tanto più quanto maggiore è la corrente erogata. Le perdite hanno tre origini principali.

V_cella = 1,23 V − η_attiv − η_ohm − η_conc

La perdita di attivazione è dovuta alla barriera cinetica delle reazioni elettrodiche, in particolare la lenta riduzione dell’ossigeno; domina alle basse correnti ed è ciò che fa crollare subito la tensione anche a vuoto. La perdita ohmica è la classica caduta di tensione dovuta alla resistenza dell’elettrolita e dei collegamenti, e cresce linearmente con la corrente. La perdita di concentrazione compare alle alte correnti, quando i reagenti non arrivano abbastanza in fretta agli elettrodi e il loro consumo locale impoverisce la zona di reazione. La somma di queste perdite determina la curva tensione-corrente reale della cella.

Il confronto con il motore termico

In pratica, una cella a combustibile a idrogeno raggiunge rendimenti elettrici dell’ordine del 50-60%, contro il 30-40% tipico di un buon motore a combustione interna. Il vantaggio è reale ma non scontato, e dipende dal punto di lavoro: a basse correnti la cella è più efficiente ma eroga poca potenza, ad alte correnti eroga più potenza ma con rendimento minore. Inoltre, nei sistemi ad alta temperatura il recupero del calore di scarto in cogenerazione può spingere il rendimento complessivo del sistema oltre l’80%, un valore irraggiungibile per la sola produzione elettrica.

Perché conta nella pratica

Per chi confronta tecnologie energetiche, il rendimento di una cella a combustibile va letto con attenzione: il valore ideale dice quanto è teoricamente possibile, ma il rendimento reale dipende dal punto di lavoro e dalle perdite. Sapere che esistono perdite di attivazione, ohmiche e di concentrazione permette di interpretare la curva tensione-corrente di una cella e di scegliere il punto di funzionamento giusto fra potenza ed efficienza. E ricordare che la cella sfugge al limite di Carnot — ma non è automaticamente la più efficiente — evita facili entusiasmi e conduce a un confronto onesto con le alternative.

Domande frequenti

Qual è il rendimento ideale di una cella a combustibile?

È il rapporto fra l’energia libera di Gibbs ΔG, convertibile in lavoro elettrico, e l’entalpia ΔH, l’energia chimica totale liberata dalla reazione. Per la cella idrogeno-ossigeno vale circa l’80% in condizioni standard, e per alcuni combustibili come il metanolo supera il 90%. È un limite superiore teorico, mai raggiunto dalle celle reali.

Perché la cella a combustibile non soffre del limite di Carnot?

Perché non è una macchina termica: converte l’energia chimica direttamente in elettricità senza passare per uno stadio di calore. Il limite di Carnot vincola le macchine che trasformano calore in lavoro, legandone il rendimento alle temperature di esercizio. La cella salta questo stadio, ma ciò non garantisce automaticamente che sia più efficiente di un motore reale.

Quali perdite riducono il rendimento reale?

Tre tipi: le perdite di attivazione, dovute alla lentezza delle reazioni agli elettrodi e dominanti a bassa corrente; le perdite ohmiche, dovute alla resistenza dell’elettrolita e dei contatti; e le perdite di concentrazione, dovute al lento arrivo dei reagenti agli elettrodi ad alta corrente. Insieme abbassano la tensione di cella sotto il valore ideale di 1,23 V.

Perché il rendimento ideale diminuisce con la temperatura?

Perché la reazione di formazione dell’acqua ha entropia negativa: l’energia libera di Gibbs ΔG cala all’aumentare della temperatura, e con essa il rapporto ΔG/ΔH. Al contrario di un motore termico, una cella a combustibile ha quindi un rendimento ideale che peggiora scaldandosi; le celle ad alta temperatura recuperano grazie alla cinetica e al calore riutilizzabile.

Una cella a combustibile è più efficiente di un motore a scoppio?

In genere sì: una cella a idrogeno raggiunge rendimenti elettrici del 50-60%, contro il 30-40% di un buon motore a combustione interna. Il vantaggio dipende però dal punto di lavoro e dalle perdite, e non è automatico. Nei sistemi ad alta temperatura con recupero del calore in cogenerazione, il rendimento complessivo può superare l’80%.