STOCCAGGIO DI IDROGENO NEI SOLIDI ATTIVITA DI RICERCA PRESSO IL POLITECNICO DI TORINO

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1 STOCCAGGIO DI IDROGENO NEI SOLIDI ATTIVITA DI RICERCA PRESSO IL POLITECNICO DI TORINO A. TAGLIAFERROT LAQ In.Te.S.E. Politecnico di Torino

2 SOMMARIO Il problema Le possibili tecnologie Il contributo del Politecnico

3 IL L PROBLEMA L idrogeno deve essere immagazzinato in sistemi - ad elevata sicurezza (passiva se possibile!) - di costo ragionevole - di lunga durata a prestazioni costanti Per l utilizzo nel sistema dei trasporti, ulteriori richieste sono: - elevata energia disponibile per unità di volume - elevata energia disponibile per unità di massa

4 LE E SOLUZIONI PRATICATE Idrogeno gassoso compresso Immagazzinato in bombole/serbatoi di - acciaio ( bar) - compositi in fibre di carbonio/polimeri (fino 600 bar) Compositi più leggeri e resistenti ma molto più costosi. Bassa densità energetica Impiegata per immagazzinamento di grosse quantità in siti sotterranei, cave, miniere in disuso. - Gaz de France - prodotti di raffineria, ricchi in H 2 Impiegata in prototipi di veicoli ad idrogeno omologati in Germania: autonomia km

5 LE E SOLUZIONI PRATICATE Idrogeno liquido Raffreddato fino a 20 K Immagazzinato in serbatoi con isolamento in perlite (perdite 1-2% al giorno) Elevata densità di energia, ma circa 30% necessaria per liquefare ed immagazzinare Utilizzato nei prototipi di mezzi di trasporto a idrogeno. Allo studio navi cisterna con dislocamento di qualche migliaio di tonnellate. Gas fuoriuscito si disperde velocemente su grandi volumi

6 LE E SOLUZIONI PRATICATE Idrogenodotti (gas) Analoghi ai gasdotti Tecnologie esistenti non ottimizzate per idrogeno Interessante per piccole distanze (< 80 km); oltre vi è necessità di stazioni di compressione Vantaggioso per grosse quantità (> m 3 /h): bassi costi operativi Esistono già reti per distribuzione fra impianti 750 km in USA 600 km in Nord Europa

7 LE E SOLUZIONI PRATICATE Idruri metallici Immagazzinano in fase solida ad alta pressione di circa il 3-4 % in peso di idrogeno Rilascio richiede calore (favorevole a sicurezza) Elevato peso Durata limitata (molto inferiore al ciclo vitale di una autovettura) Esistono già sistemi commercializzati Utilizzati su prototipi di autovettura

8 E QUELLE PROPOSTE Idrogenodotti (liquido) Trasporta idrogeno liquido nella cavità interna ed energia elettrica nella guaina superconduttrice Tecnologie esistenti non ancora appropriate per impiago su grandi distanze Microsfere di cristallo Diametro micrometri; spessore 1 micrometro Incapsulamento tramite riscaldamento ( C in ambiente denso di idrogeno) A temperatura ambiente impermeabili Rilascio tramite riscaldamento in ambiente povero di H 2

9 E QUELLE PROPOSTE Zeoliti Alluminosilicati a struttura spugnosa. Ioni e molecole polari possono essere movimentate lungo i canali per aprirli e chiuderli. Le zeoliti naturali immagazzinano fino al 2-3 % in peso di H 2 Nanotubi di carbonio Fogli di grafite arrotolati a cilindro. Immagazzinano e rilasciano idrogeno se sottoposti a cicli in pressione e temperatura Soffrono della sindrome da fusione fredda

10 LA RICERCA AL POLITECNICO Zeoliti Sviluppo di zeoliti artificiali per aumentare le capacità di stoccaggio Sviluppo trattamenti delle zeoliti naturali Analisi dei meccanismi di immagazzinamento Idruri metallici Sviluppo e produzione nuovi idruri Miglioramento caratteristiche idruri esistenti Idrogenodotti (liquido) Analisi e progettazione termica. Sperimentazione su prototipi di piccola taglia

11 NANOTUBI DI CARBONIO Deposizione chimica da fase vapore M. Kumar, Y. Ando, Chem. Phys. Lett. 374 (2003) 521 Precursori solidi canfora (sorgente di carbonio) ferrocene (sorgente catalizzatore) Flusso di gas inerte a pressione atmosferica Crescita su substrati di silicio e di quarzo N 2 Tubo quarzo Nanotubi Riscaldatore Reagenti

12 I RANGE UTILIZZATI Parametro di crescita Temperatura Flusso gas Ferrocene (% peso) Inclinazione substrato Range C 2 25 ml/s % 0-80

13 PRODOTTO Crescita di strati auotosupportanti che vengono delaminati dal substrato con mezzi meccanici Spessore Densità Diametro nanotubi Resa reagenti 2-3 mm 0.9 g/cm nm ~ 30% Rate crescita nm/s Superficie Produzione cm g/h Costo ~ 10 /g

14 AL MICROSCOPIO ELETTRONICO x 100 x 8000 x 500 x 2000 x

15 LA A STABILITA TERMICA TGA (Termo( Gravimetria) Stabili in O 2 fino a 500 C Ferro residuo circa 6-7 %

16 PROVE DI IMMAGAZZINAMENTO In autoclave a T = 200 C p = 14 bar Nanotubi a parete multipla Superficie interna Idrogeno immagazzinato 40 m 2 /g 1.5 % in peso Nanotubi a parete singola Superficie interna Idrogeno immagazzinato 750 m 2 /g 1.7 % in peso

17 LINEE DI SVILUPPO Analisi dei cicli pressione - temperatura Identificazione del ruolo del catalizzatore e dei meccanismi di immagazzinamento e rilascio di idrogeno Ottimizzazione crescita per massimizzare resa

18

19 PROPRIETA MECCANICHE Misura macroscopica (pressa) Carico Carico di compressione a rottura 24 MPa

20 IDROREPELLENZA Goccia d acqua (diametro 2 mm) Superficie del blocco di nanotubi

21

22 62 6.5

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