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2 {)},i{ 1i"trn-Lri,"trr^r ii;l';[rl{{ ii:; I l("fi [ i:("( ]1,( )( i1('{, L'energia si puo considerare come il motore dello sviluppo tecnologico, economico e sociale di un Paese. Parte centrale della produzione di energia, in passato, e tutt'oggi, è realizzata mediante la combustione d' idrocarburi or,rzero derivati del petrolio. Col passare degli anni ci siamo accorti che il petrolio oltre che essere molto inquinante nei confronti dell'ambiente, è anche in via di esaurimento e I'uomo sta dissipando questo patrimonio naturale con incredibile rapidità. Sia le imprese industriali sia le famiglie si sono abituate a pensare in termini di bassi costi e produzioni illimitate. Ma oggi ci si può rendere conto che non è così: il costo dell'energia tende ad aumentare sempre di più e la sua reperibilità scarseggia. Come soluzione a questa crisi, le società industrializzate, maggiori consumatrici di energia, hanno sperimentato forme di risparmio energetico mediante un razionale consumo delle risorse conosciute, ed hanno cercato nuove forme di energia illimitata, in altre parole rinnovabile. La fonte di energia maggiormente citata come soluzione ha nostri problemi, è quella nucleare, che attraverso il processo di fissione del nucleo atomico, produce energia termica, simile a quella prodotta dalle centrali termoelettriche cheutlhzzano la combustione degli idrocarburi, da cui si ricava energia elettrica. Ma come sappiano la costruzione di una centrale nucleare risulta pericolosissima sia per I'ambiente che per l'uomo. La produzione dell'energraha avuto molte ripercussioni sui cambiamenti del territorio e sull'ambiente: come le dighe costruite per la produzione dell'energia idroelettrica, hanno fatto variare il corso dei fiumi, qualche volta sommerso terreni, modificando le condizioni dell'agricoltura o addirittura del clima circostante; i fumi e le polveri prodotte dalle centrali termoelettriche; le scorie prodotte come scarto della reazione nucleare da parte delle centrali nucleotermoelettriche, materiali radioattivi che diventano inattivi dopo parecchi secoli e che una volta "sigillati" sono depositati in fosse oceaniche o in burroni. Tutto ciò ha provocato un maggiore interesse verso le fonti di energia rinnovabili, pulite e presenti in grande quantità. Quando è prodotta energia elettrica tramite l'uso di pannelli fotovoltaici o generatori eolici, la quantità dell'energia prodotta spessa non soddisfa la richiesta energetica. Un impianto solare produrrà energia elettrica solo in ore diurne, riducendo notevolmente il suo potere produttivo nelle ore serali; oppure potremmo utllizzare I'energia elettrica generata dal vento, ma è un energia molto instabile a causa del vento che non è sempre presente. A questi problemi potrebbe porvi risposta il vettore energetico idrogeno.

3 { La combinazione di energia solare e idrogeno per il trasporto e l'immagazzinamento di energia viene chiamato ciclo di energia solare - idrogeno. Quando gli impianti solari ed eolici producono energia maggiore di quella richiesta, l'energia in eccesso viene usata per produrre idrogeno. Le tecnologie per la produzione d'idrogeno si basano su processi termodinamici ed elettrochimici ben noti fin dai primi sviluppi della chimica. Essi non sono inquinanti e utilizzano il processo dell'elettrolisi dell'acqua per produrre idrogeno e ossigeno.!' " r'ì1'"'1 ii 1 Come detto prima la rcazione chimica per ar,venire necessità di una fonte di energia elettrica continua, per rendere f intero processo ecologico, funzionale e facilmente applicabile a tutti gli apparecchi di uso comune come una casa, cellulare, e automobile si può applicare al process o l'utllizzo del pannello fotovoltaico. I sistemi fotovoltaici convertono la radiazione solare direffamente in energia elettrica. Alla base della tecnologia ci sono i materiali semiconduttori quali silicio e germanio. In questo periodo forniscono percentuali di rendimento inferiori al l5l20oa, raggiungimento delle celle di silicio cristallino in questo momento in commercio. Questo sistema si basa sulla conversione diretta dell'energia solare in energia elettrica mediante il fenomeno fisico delf interazione dellaradiazione luminosa con gli elettroni divalenzadei materiali semiconduttori denominato effetto fotovoltaico. E' il fotone, particella associata alle onde elettromagnetiche, a fornire 1'energia necessaria ad attivare il processo fotovoltaico con trasform azione degli elettroni di valenza, in elettroni di conduzione. Questo accade quando il legame che tiene uniti gli atomi di silicio nel cristallo si rompe per opera della radiazione luminosa, che permette all'elettrone di passare dalla banda divalenza a quella di conduzione superando il gap energetico. Quando l'elettrone passa alla banda di conduzione, lascia dietro di se una buca o lacuna elettronica, che sarà colmata da un elettrone dell'atomo vicino che a sua volta lascerà dietro di se una buca e così via creando un flusso di cariche negative e positive in direzioni opposte. Una cella solare standard è costituita da due semiconduttori opportunamente drogati. Il drogaggio è f introduzione controllata d'impurità nella struttura del cristallo di un semiconduttore, per esempio silicio, e si ottiene sostituendo nella struttura alcuni atomi con elementi che haruro un elettrone di valenza in piu o in meno del materiale di partenza. I semiconduttori hanno quattro elettroni nel livello energetico estemo idealmente posti ai r ertici di un tetraedro regolare che legano gli atomi del cristallo; se il materiale ha cinque elenroni di r alenza. un

4 elettrone non troverà posto nella struttura cristallina e sarà libero di muoversi determinando un aumento della conducibilità. Il drogaggio con elementi con un elettrone in eccesso prende il nome di drogaggio di tipo N per la presenza di cariche negative. Se il materiale dopante ha tre elettroni di valenza nella struttura del cristallo, si creeranno lacune elettroniche o buche, in altre parole cariche positive mobili. I1 drogaggio con tali elementi prende il nome di drogaggio di tipo P. Quando un conduttore di tipo N è unito a un semiconduttore di tipo P, si crea una giunzione N-P; il campo elettrico interno creato dalla giunzione dei due semiconduttori determina il flusso di elettroni e buche in direzioni opposte con conseguente separazione di cariche. Se si connettela ginzione P-N con un conduttore, nel circuito esterno si otterrà un flusso di elettroni che parte dallo strato N, a potenziale maggiore, verso 1o strato P, a potenziale minore. Per generare l'elettricità è necessario creare un moto coerente di elettroni, che si ottiene mediante il campo elettrico alf interno della cella. ilt.rytd sllnirll} Pannello fotovoltaico (giunzione P-N). Una volta attraversato il campo, gli elettroni liberi non tornano più indietro, perché il campo, agendo come un diodo, impedisce a loro di invertire la marcia. Fino a quando la cella resta esposta allaluce, I'elettricità fluisce con regolarità sotto forma di corrente continua.

5 t T Come conseguenza del passaggio di corrente, fornita tramite un alimentatore ( pannello solare), si nota un fenomeno di effervescenza, cioè il forrnarsi di bolle di gas alla base dei due cilindri, contenenti l'acqua, in corrispondenza degli elettrodi: I'acqua si scinde nei due gas costituenti, idrogeno ed ossigeno. L'idrogeno si avrà al catodo (1'elettrodo, caricato negativamente da cui gli elettroni sono immessi nell'acqua), mentre all'anodo (l'elettrodo caricato positivamente, in cui sono assorbiti gli elettroni provenienti dall'acqua) si svilupperà ossigeno. Essendo leggeri, i gas si accumulano nella parte superiore dei rispettivi cilindri. In condizioni ideali, si può notare che la quantità d'idrogeno è approssimativamente doppia di quella dell'ossigeno, poiché il livello del liquido nei cilindri si abbassa a causa della pressione del gas contenuto nella parte superiore. Per verificare che il gas sviluppatosi al catodo sia proprio f idrogeno (molto infiammabile), bisogna awicinare un fiammifero accesso al rubinetto apefto del cilindro catodico e si osserva effettivamente una fiamma. Principale r eazione chimica : 2HzO ---+ )lf2-r 02 Quindi dalla reazione chimica che awiene tramite processo elettrolitico, quindi con la conversione dell'energia elettrica in energia chimica, dall'acqua si ottiene quindi idrogeno e ossigeno allo stato gassoso. hfiu. pfiesene ronr ul{ EfiÈ rss $: pfléséiffi ionn H* Elettrolisi formazione d'idrogeno e ossigeno gassosi.

6 Le celle a combustibile sono dei sistemi elettrochimici capaci di convertire 1'energia chimica di un ;ombustibile (in genere idrogeno) direttamente in energia elettrica, senza l'interuento intermedio di un ciclo terrnico, e pertanto presentano rendimenti di conversione più elevati rispetto a quelli delle macchine termiche convenzionali. Il loro rendimento totale si attesta attomo al50oa, ciò significa che 1'energia elettrica prodotta rapportata al combustibrle utiltzzato, costa meno della metà dell'energia prodotta con sistemi tradizionali. Una singola cella produce normalmente circa 0,7 Y, quindi per ottenere la potenza e il voltaggio desiderato piu celle sono disposte in serie, per mezzo di piatti bipolari, a formare il cosiddetto stack. G1i stack a loro volta sono assemblati in moduli, per ottenere generatori della potenza richiesta. L'aspetto che conferisce ancora piu importanza strategica alle celle a combustibile, consiste nel1'assenza totale di emissioni inquinanti in atmosfera, infatti, la cella a combustibile converte per via elettrochimica (senza combustione) l'idrogeno e 1'ossigeno dell'aria direttamente in corrente elettrica, :enerando come sottoprodotto del processo acqua calda e calore. d,d Celia a combustibile a idrogeno, alimentata con pannello solare, che fornisce energia elettrica continua, con la quale si separa I'acqua in idrogeno e ossigeno. In seguito idrogeno e ossigeno sono fatti convergere insieme per generare energia elettrica, in grado di fare ruotare la ventola posta alla fine. I soli scarti di questa reazione sono calore e acqua.

7 l' i' l!if{ }i".,,{ i','{ l' \'n-{ } Una cella a combustibile funziona in modo analogo a una batteria, poiché produce energia elettrica attraverso un processo elettrochimico. A differenza di quest'ultima, t:uttavia, consuma sostanze provenienti dall'esterno ed è quindi in grado di funzionare senza intemrzioni, finché al sistema è fornito combustibile (idrogeno) e ossidante (ossigeno e aria). Con la seguente reazione chimica: Reazione totale 2Hz+ Oz---+ 2HzO I 'energia elettrica è prodotta datlareazione tra un combustibile (l'idrogeno) e gn composto gassoso ossidante (l'ossigeno o l'aria). Insieme all'elettricità, sono prodotti anche calore e acqua. t' Le celle a combustibile, presentano numerosi vantaggi nei confronti dei sistemi tradizionali: un rendimento elettrico superiore a quello degli impianti convenzionali con valori che vanno dal 40 al 60Yo; la modularità che permette di accrescere la potenza installata via via che cresce la domanda di energia elettrica, con notevoli risparmi sul piano economico e con tempi di costruzione che possono essere notevolmente ridotti; un'efficienza indipendente dal carico e dalle dimensioni dell'impianto (il rendimento delle celle è poco sensibile alle variazioni del carico elettrico, diversamente da quanto ar,'viene con gli impianti convenzionali); un ridottissimo impatto ambientale sia dal punto divista delle emissioni gassose sia di quelle acustiche, il che consente di collocare gli impianti anche in aree residenziali. Generalmente, un impianto a celle a combustibile è costituito, oltre che dalla sezione elettrochimica, anche da un convertitore di corrente e da un trasformatore che convertono la corrente continua generata dalla pila in corrente alternata. Le celle a combustibile si differenziano secondo la natura chimica dell'elettrolita e della temperatura alla quale funzionano. Le celle che liberano temperature comprese tra 60 e 200 gradi centigradi sono dette a bassa-media temperatura, mentre si definiscono ad alta temperatura quelle che sviluppano calore fino alla temperatura di 1000 gradi centigradi. Quest'ultime sono spesso utllizzate per applicazioni che necessitano sia di elettricità sia di calore. Per esempio f idrogeno liquido è glà:utihzzato a bordo delle navicelle spaziali per alimentare le celle a combustibile che forniscono I'elettricità necessaria per il funzionamento della strumentazione di bordo. L'acqua ottenuta come sottoprodotto da tali celle a combustibile può essere bevuta dall'equipaggio, e il calore utllizzato come sistema di riscaldamento.

8 Per I'immagazzinamento delf idrogeno sono in uso e sviluppo 11", I lì t... ri,,, i,, Tutti e tre metodi presentano relativi svantaggi e vantaggi, e ciò fa si che siano utilizzatipff diversi impieghi. Si parla d'immagazzinamento sotto pressione quando si ha un gas che è conservato in un recipiente dove all'interno crè una pressione maggiore di quella normale (1 ATM). Le dimensioni e il peso dei serbatoi variano secondo la quantità d'idrogeno da trasportare, dallo spazio disponibile e dalla pressione che deve sopportare. I grandi serbatoi sono norrnalmente impiegati in applicazioni fisse, dove c'è abbastanza spazio. In applrcazioni mobili, dove 1o spazio è molto limitato, si usano invece serbatoi compatti e resistenti ad alte pressioni che possono anche arrivare a700bar. Le vecchie bombole di acciaio avevano un peso elevato, quelle modertte, costruite con materiali compositi (fibre di carbonio con rivestimento interno di alluminio), sono invece più leggere. L'rmmagazzinamento di grandi quantità d'idrogeno per usi industriali, awiene anche in serbatoi sotteranei (caverne), nei quali il gas può essere stoccato in condizioni fino a cinquanta bar. Questo sistema è gtàutlhzzato negli Stati Uniti e in Francia. Camion con bombole d'idrogeno.

9 Allo stato liquido, I'idrogeno ha una maggiore densità, ma questo stato 1o acquista solo a una temperatura di -253 oc. I serbatoi destinati allo stoccaggio d'idrogeno liquido a bassissima temperatura sono detti "criogenici" e rendono minime le perdite dor,ute al riscaldamento. L'immagazzinamento d'idrogeno liquido si presta soprattutto in applicazioni mobili (veicoli) dove lo spazio è molto limitato. Il rifornimento dei veicoli richiede impianti attomatizzati, in pafte già esistenti. Questo tipo d'immagazzinamento conviene solo in quei casi in cui l'uso richiede idrogeno liquido, perché la liquefazione del gas e la conservazione del liquido sono operazioni costose. {W Distributore d' idrogeno liquido (rifornimento per autobus). tl',,1,',,t'',,',r:irlllt:l' ilt' Oltre all'immagazzinamento d'idrogeno sotto pressione e in forma liquida, esiste anche quello per assorbimento. Con questo procedimento si sfrutta la proprietà che certe leghe metalliche hanno di assorbire f idrogeno. Un metallo che assorbe idrogeno si raffredda e, per recuperare I'idrogeno, si deve riscaldare. In rapporto al volume, la capacità di questi accumulatori è molto vantaggiosa, ma purtroppo questi contenitori sono molto pesanti e costosi, peraltro non adatti ad applicazioni mobili. I1 loro vantaggio è la semplicità e la sicurezza; anche in caso che il serbatoio dovesse subire un guasto, I'idrogeno non si disperde. Lavorano a pressioni normali, non causano perdite dor,ute all'evaporazione e hanno un effetto purifi cante sulf idrogeno. Questa tecnologia in via di sviluppo per ora èutilizzataprincipalmente per alimentare i sottomarini.

10 Produzione per assorbimento. Le tecniche di trasporto d'idrogeno si fondano principalmente sulle tecniche d'immagazzinamento in precedenza descritte. L'idrogeno gassoso sotto pressione viene oggi normalmente trasportato in speciali serbatoi su camion o per ferrovia, direttamente dal produttore al consumatore. E stata proposta anche la costruzione d'idrogeno dotti simili ai metanodotti tramite i quali, in futuro, l'idrogeno potrebbe essere fornito a ogni casa. Idrogeno dotti esistono già in alcune regioni della Germania e, in tutto il mondo, sono in uso oltre 1000 km di queste pipeline. L'idrogeno liquido può essere trasportato in speciali autocisterne o in speciali contenitori caricabili su camion; negli Stati Uniti esiste persino una pipeline per il trasporto, lunga 40 km. Si pensa oggi anche al trasporto d'idrogeno liquido per mare in navi simili di quelli con le quali oggi sono trasportate il gas naturale, ma sono state progettate anche delle navi speciali. Per le quantità d'idrogeno che oggi sono trasportate via mare, si è però rivelato più adatto ed economico I'uso di contenitori speciali. Questi contenitori per idrogeno liquido hanno dimensioni standard e possono essere trasportati in tutto il mondo via mare, per ferrovia e su camion e il trasbordo può ar,venire in ogni terminal. Nave per il trasporto d'idrogeno liquido.

11 lr ri I I Pipeline per il trasporto d'idrogeno liquido (USA).1{ j rl"i't,,",.")'.\ L'idrogeno è molto reattivo e reagisce facilmente con ossigeno formando acqua. Non comporta un maggiore rischio rispetto al petrolio, al gas naturale o all'uranio. Le sue caratteristiche fisiche e chimiche non rappresentano particolari pericoli. Per questo motivo non esistono particolari norrne di sicurezza se non quelle che valgono per tutti i gas infiammabili. Nel caso di incidenti, i combustibili liquidi comportano spesso la rapida espansione delf incendio sul luogo dell'incidente, che può causare, specialmente nel caso di incidenti con camion e aeroplani, la morte di molte persone. L'idrogeno evapora in questi casi rapidamente verso alto, ma quando l'idrogeno si libera in ambienti confinati, come per esempio in autorimesse o tunnel, esiste un maggiore pericolo di esplosione. In questi luoghi si deve badare a una maggiore ventilazione e ad altri dispositivi di sicurezza- L'idrogeno nel serbatoio di un'automobile non comporta un maggiore pericolo rispetto alla benzina. I tecnici harmo appiccato ilfuoco a due automobili, una a idrogeno, l'altra abenzina. Com'era prevedibile, ambedue le macchine hanno preso fuoco, ma, mentre quella abenzinaè stata completamente awolta dalle fiamme dopo sessanta secondi, quella a idrogeno è rimasta quasi illesa. Solo un'enorme vampata è gaizzata in alto, ma si è spenta quasi subito.

12 Test infiammabilità: sinistra auto a idrogeno destra abenzina. Nella creazione e nell'utilizzo delf idrogeno non ci sono emissioni dico2, Sarà in grado di porre fine al rischio ambientale?