Life Cycle Assessment and Costing of an Anode-Supported SOFC with SCFA10 coating: A Modular and High-Resolution Approach

I sistemi energetici del futuro devono essere giudicati non solo per quanto efficientemente trasformano il combustibile in energia, ma per l'intero costo della loro esistenza, dal momento in cui le materie prime vengono estratte dalla terra al momento in cui il dispositivo viene costruito. Le celle a combustibile a ossidi solidi sono un principale candidato per questo futuro. Si tratta di dispositivi che generano elettricità attraverso una reazione chimica tra combustibile e aria, operando a temperature molto elevate utilizzando un materiale ceramico solido come ponte per il movimento degli ioni. A differenza delle batterie che immagazzinano energia, esse la creano continuamente finché viene fornito il combustibile, e possono funzionare con idrogeno o gas naturale con alta efficienza. Tuttavia, costruirle è un processo pesante. I materiali richiesti sono spesso rari e la produzione comporta calore ed energia intensi, il che può creare un'impronta ambientale significativa prima ancora che il dispositivo si accenda. Gli scienziati cercano costantemente modi per migliorare queste celle, spesso aggiungendo strati sottili di nuovi materiali per farle funzionare meglio, ma rimane una domanda critica: l'aggiunta di questi nuovi strati rende il processo di produzione troppo sporco o troppo costoso per valerne la pena?

Un team di ricercatori in Italia si è posto l'obiettivo di rispondere a questa domanda per un materiale specifico chiamato SCFA10. Questo materiale è un tipo di polvere ceramica che può essere trasformata in un rivestimento ultra-sottile, spesso solo circa due micrometri, che viene applicato all'anodo, ovvero il lato del combustibile, di una cella a combustibile a ossidi solidi. L'obiettivo di questo rivestimento è migliorare il modo in cui la cella interagisce con il combustibile, rendendo potenzialmente l'intero sistema più efficiente o durevole nel lungo periodo. Per determinare se questa innovazione sia una buona idea, i ricercatori non si sono limitati a guardare la chimica; hanno eseguito un conto completo dei costi ambientali ed economici coinvolti nella fabbricazione di una singola cella con questo nuovo rivestimento, confrontandola con una cella standard senza di esso. Hanno utilizzato un metodo chiamato analisi del ciclo di vita, che traccia ogni grammo di materiale e ogni kilowattora di energia utilizzato, dall'estrazione delle materie prime fino all'assemblaggio finale della cella. Hanno affiancato a questo un'analisi del costo del ciclo di vita per vedere quanto denaro sarebbe necessario per produrre la cella, includendo il prezzo dell'elettricità, della manodopera e dei macchinari.

I ricercatori hanno costruito il loro studio su un modello dettagliato e passo dopo passo del processo di produzione. Hanno iniziato creando la polvere SCFA10 essi stessi in un laboratorio, utilizzando un metodo che mescola soluzioni chimiche e le scalda finché non reagiscono e formano una polvere solida. Hanno poi modellato come questa polvere verrebbe trasformata in una pasta, stesa sulla cella e cotta ad alte temperature. Scomponendo la cella a combustibile nelle sue singole parti — l'anodo, l'elettrolita, il catodo e il nuovo rivestimento — sono stati in grado di vedere esattamente da dove provenisse l'impatto ambientale. Hanno scoperto che la produzione di celle a combustibile a ossidi solidi è dominata dalla produzione delle parti ceramiche principali e dal calore intenso richiesto per cuocerle. Questi passaggi tradizionali sono i veri responsabili del costo ambientale. Quando hanno aggiunto il nuovo strato SCFA10 al loro modello, i risultati sono stati sorprendentemente tranquilli. L'aggiunta del rivestimento ha aumentato l'impatto ambientale di meno dell'uno percento in tutte le categorie misurate, inclusa la quantità di gas serra emessi. Infatti, il rivestimento stesso ha contribuito per meno dello 0,3 percento del carico ambientale totale della fabbricazione della cella. L'energia extra necessaria per sintetizzare la nuova polvere e applicare il sottile strato era così piccola rispetto all'energia necessaria per realizzare il resto della cella che è stata quasi irrilevante sulla scala di misura.

Il quadro economico era altrettanto stabile. I ricercatori hanno calcolato il costo per produrre una di queste celle, includendo il prezzo delle materie prime, l'elettricità per far funzionare forni e macchine e i salari dei lavoratori. Hanno stimato che produrre una singola cella costerebbe circa 66 euro, indipendentemente dal fatto che avesse il nuovo rivestimento o meno. Il costo del nuovo materiale e i passaggi extra per applicarlo erano trascurabili nel grande schema del prezzo totale. Quando hanno tenuto conto del potenziale ricavo dalla vendita delle celle, hanno scoperto che un'azienda che produce queste unità potrebbe aspettarsi di raggiungere il punto di pareggio e iniziare a generare profitti dopo circa sei o sette anni. Questa tempistica non cambia significativamente che si stia producendo la cella standard o quella con il rivestimento SCFA10. Lo studio ha escluso esplicitamente l'idea che il nuovo materiale renderebbe la cella troppo costosa da produrre o troppo "sporca" per giustificarne l'uso nella fase di fabbricazione. I dati hanno dimostrato che l'innovazione è ambientalmente ed economicamente neutrale durante la fase di costruzione.

Questo non significa che il nuovo rivestimento sia inutile; significa semplicemente che il suo valore risiede altrove. I ricercatori hanno osservato che i benefici dello strato SCFA10 dovrebbero apparire più tardi, quando la cella è effettivamente in funzione. Il rivestimento è progettato per migliorare il modo in cui il combustibile interagisce con la cella, il che potrebbe portare a prestazioni migliori, una vita più lunga o la capacità di utilizzare sistemi di combustibile più semplici. Poiché i costi di produzione e gli impatti ambientali sono molto simili tra le due versioni, la decisione di utilizzare il nuovo materiale non dipende dal costo di fabbricazione, ma da quanto bene funziona una volta installato. Lo studio conclude che, sebbene la fase di produzione non sia il luogo in cui questa innovazione risplende, essa non la ostacola neppure. La strada da seguire per questa tecnologia è chiara: il nuovo rivestimento può essere aggiunto senza penalità, e la vera prova sarà vedere se riesce a fornire i miglioramenti promessi sul campo, trasformando un passaggio di produzione neutro in un significativo vantaggio per l'intero sistema.