TITOLO: ENERGIA ELETTRICA IN LATTINA

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1 TITOLO: ENERGIA ELETTRICA IN LATTINA

2 Sommario Sommario 1 INTRODUZIONE PRINCIPIO DI FUNZIONAMENTO IL PROCESSO DELL'ELETTROLISI ELETTROLISI DELL'ACQUA ESPERIMENTO CONDOTTO ELETTROLISI AD ALTA TEMPERATURA FUEL CELL FUNZIONAMENTO SISTEMI IN STACK PEMFC (Proton Exchange Membrane Fuel Cell) VANTAGGI DELLE FUEL CELL SVANTAGGI DELLE FUEL CELL QUALI SCENARI PER IL FUTURO DELLE FUEL CELL PROGETTO ELETTRICO INTRODUZIONE SCHEMA A BLOCCHI I DISPOSITIVI DI PRODUZIONE ELETTRICA REGOLATORI DI TENSIONE CONTROLLORE LOGICO SCHEMA ELETTRICO COMPONENTI UTILIZZATI CONSIDERAZIONI BOZZA DI REALIZZAZIONE MODELLINO CONCLUSIONI... 15

3 Capitolo: INTRODUZIONE 1 INTRODUZIONE Come futuri cittadini e come studenti di elettrotecnica, noi studenti della Fondazione Castellini a seguito delle ricerche condotte abbiamo identificato il problema energetico come parte fondamentale del nostro futuro. L energia elettrica è un bene prezioso, che purtroppo ha delle modalità di immagazzinamento molto costose e per nulla efficienti. Infatti, al giorno d oggi, le centrali elettriche hanno una capacità produttiva tale da soddisfare i picchi di consumo elettrico della popolazione. Ciò avviene principalmente nella fascia diurna poiché c'è una maggiore operatività produttiva. Nella fascia notturna, invece, si tende a produrre molta più energia elettrica di quanta possa servirne. Sebbene un parte venga riutilizzata, gran parte di questa energia in eccesso viene dispersa. Un danno, per l'ambiente e per l'economia, rilevante che si cerca di compensare proponendo tariffe energetiche diversificate tra il giorno e la notte. Per questo motivo abbiamo condotto il nostro progetto concentrandoci su un possibile "vettore" di energia. Un vettore che sia possibile produrre con l'energia elettrica in eccesso, che sia possibile stoccare e che ci permetta di riutilizzarlo per produrre energia. In seguito ad una ricerca approfondita abbiamo identificato l'idrogeno come una possibilità che garantisca un certo livello di efficienza sia produttiva che ambientale. 1

4 Capitolo: PRINCIPIO DI FUNZIONAMENTO 2 PRINCIPIO DI FUNZIONAMENTO L impianto che abbiamo studiato e realizzato in scala, prevede che l'energia elettrica inutilizzata venga recuperata ed impiegata in un processo che consente la produzione di due gas, idrogeno ed ossigeno. Questo processo si chiama elettrolisi e consente di scindere le molecole dello acqua (H 2 O) e trasformarle nei due gas. Successivamente questi verranno stoccati per poter poi essere ricombinati con l'ausilio di una Fuel Cell (batteria a combustibile). Quest'ultima permetterà di produrre energia elettrica pulita rilasciando come scarto, semplice e pura acqua distillata. Di seguito una schema che riassume il processo di recupero. Energia prodotta da fonti rinnovabili Utilizzo Richiesta di energia elettrica Eccesso Elettrolisi Conservazione Stoccaggio idrogeno ed ossigeno Necessità Fuel Cell Utilizzo 2

5 Capitolo: IL PROCESSO DELL'ELETTROLISI 3 IL PROCESSO DELL'ELETTROLISI 3.1 ELETTROLISI DELL'ACQUA Tutti sanno che la formula chimica dell acqua è H 2 O, il che significa che una molecola d acqua è composta da due atomi di idrogeno ed un atomo di ossigeno. Tutti dovrebbero anche sapere che è possibile scomporre l acqua nei suoi costituenti ricorrendo alla corrente elettrica. Prima di tutto una premessa: l acqua pura contiene, in piccolissima quantità, ioni positivi H +, in pratica atomi di idrogeno che hanno perso un elettrone e quindi hanno carica elettrica positiva e ioni OH -. Dato che la corrente elettrica si propaga nell acqua grazie al movimento degli ioni e che nell acqua distillata gli ioni sono pochissimi ne consegue che l acqua completamente priva di sali in soluzione è una cattiva conduttrice di corrente elettrica, la presenza di sali che si scompongono in ioni aumenta moltissimo la conduttività, per questo motivo l acqua di rubinetto, che contiene diversi materiali in soluzione, è conduttrice. 3.2 ESPERIMENTO CONDOTTO Per effettuare l elettrolisi dell acqua dovremo allestire il semplicissimo dispositivo raffigurato qui sopra. Si prende una scatola o bacinella di materiale plastico e si praticano sul fondo due fori, attraverso questi si fanno passare i due elettrodi. Poiché l ossigeno che si libera nella reazione reagisce con quasi tutti i metalli formando ossidi l elettrodo al polo positivo si consumerebbe rapidamente, per questo motivo negli apparecchi professionali gli elettrodi sono fatti di platino o di un metallo ricoperto da platino, una buona soluzione di ripiego è quella di usare due pezzi di mina per matita, il materiale con cui sono costruite le mine, la grafite, è un buon conduttore e non è attaccato dall ossigeno nascente. Naturalmente i due fori, una volta inseriti gli elettrodi, saranno sigillati con del silicone o stucco in modo che l acqua non esca dal recipiente. Si farà in modo che, nella parte inferiore del recipiente, la mina sporga per circa 1 cm per poter collegare i fili che vanno alla batteria. Come fonte di corrente si usa una comune batteria da 4,5 volt Si pone nel recipiente una certa quantità d acqua cui è bene, per renderla più conduttiva, aggiungere qualche goccia di soluzione di idrossido di sodio (NaOH). Si riempiono d acqua le due provette e poi, tenendo l apertura tappata con un dito, si capovolgono, si immergono le estremità con l apertura nell acqua contenuta nel recipiente e poi si posiziona ciascuna provetta in modo che ognuna abbia all interno un elettrodo. Si collegano i due elettrodi alla pila. All interno delle provette cominceranno a formarsi delle bollicine di gas che andranno a raccogliersi nella parte superiore spingendo giù l acqua. Se si aspetta un po di tempo si vedrà che il volume del gas che si è formato nella provetta collegata al polo negativo (Idrogeno) è doppio di quello formatosi nell altra provetta (Ossigeno). 3

6 Capitolo: IL PROCESSO DELL'ELETTROLISI 3.3 ELETTROLISI AD ALTA TEMPERATURA L'elettrolisi ad alta temperatura è economicamente più efficiente dell'elettrolisi tradizionale, a temperatura ambiente, perché parte dell'energia viene fornita come calore, che è più economico dell'elettricità, e perché la reazione elettrolitica è più efficiente ad alte temperature. Infatti a 2500 C non è più necessaria l'energia elettrica, poiché l'acqua si scinde in idrogeno e ossigeno tramite la termolisi. Tali temperature sono però impraticabili; i sistemi per l'hte proposti operano con temperature tra 100 C e 850 C. Il miglioramento dell'efficienza in questo tipo di elettrolisi si apprezza di più se l'elettricità usata viene da una macchina termica in modo da poter sfruttare entrambe le energie prodotte, sia quella elettrica, sia quella termica. Per questo motivo ci orienteremo ad attuare il processo elettrolitico semplice, con la sola eccezione di acquisire consapevolezza che supportare il processo elettrolitico con il riscaldamento dell'acqua ( magari attraverso pannelli termosolari ) aumenti il rendimento dell'intero sistema continuando ad usare fonti rinnovabili per preservare l'impatto ambientale. 4

7 Capitolo: FUEL CELL 4 FUEL CELL 4.1 FUNZIONAMENTO Le Fuel Cell a combustibile sono dispositivi elettrochimici che convertono direttamente l'energia di un combustibile. Esse sono composte da due elettrodi chiamati anodo e catodo di materiale poroso separati da un elettrolita, simile a un foglio di carta con migliaia di buchi non visibili a occhio nudo. Le Fuel Cell funzionano facendo passare il combustibile cioè l idrogeno attraverso questi tipi di materiale. Cosi facendo l idrogeno una volta passato si lega all ossigeno formando vapore acqueo. Hanno trovato applicazione nel campo dell'esplorazione spaziale, soltanto di recente anche in settori consumer. Nel caso del settore automobilistico le Fuel Cell costituiscono la pila a combustibile delle automobili elettriche. Il motore elettrico è alimentato dall'energia elettrica prodotta dal sistema Fuel Cell. Corrente Elettrica Eccesso Idrogeno Uscita Acqua e Vapore Anodo Elettrolita Catodo 5

8 Capitolo: FUEL CELL 4.2 SISTEMI IN STACK Siccome, come avviene per la pila, una singola cella riesce a generare solo una limitata e piccola differenza di potenziale (d.d.p., misurata in Volt [V] ) e la corrente che passa è ben determinata (la polarizzazione determina un ben preciso limite di prestazione), le fuel cell sono generalmente collegate in serie e/o parallelo in modo tale da raggiungere il voltaggio (differenza di potenziale) e l intensità di corrente (i, misurata in Ampere *A+) desiderati. Queste ultime sono chiamate stack. 4.3 PEMFC (Proton Exchange Membrane Fuel Cell) La fuel cell ad elettettrolita polimerico (Proton Exchange Membrane Fuel Cell) è di gran lunga il tipo di cella a combustibile più usato e sul quale viene investito il maggior sforzo in termini di ricerca. I motivi sono dovuti in parte al fatto che attualmente tale tecnologia offre una densità di potenza maggiore di un ordine di grandezza rispetto a qualsiasi altro tipo di fuel cell (con l unica eccezione della fuel cell alcalina ad uso avanzato in campo spaziale che raggiunge le stesse prestazioni). La PEMFC usa una membrana ad elettrolita polimerico che conduce gli elettroni dall anodo al catodo. Il tipo di membrana più comune è la Dupont Nafion che alla vista sembra un semplice foglio di plastica semitrasparente. Le fuel cells PEM rispondono bene ai cambiamenti nel carico elettrico rendendole molto adatte all utilizzo nell ambito dei trasporti leggeri, per la generazione di energia elettrica per utilizzi domestici e nell ambito della navigazione spaziale. Esse operano a temperature abbastanza basse (70-85 C) e possono avviarsi e raggiungere metà della potenza quasi immediatamente. La piena potenza di erogazione viene raggiunta in circa 3 minuti (comunque molto lentamente in confronto alla erogazione istantanea della batterie tradizionali, o dei motori a combustione). 6

9 Capitolo: FUEL CELL Una delle maggiori limitazioni è dovuto al costo elevato del platino o di simili catalizzatori che devono essere usati sia al catodo che all anodo. Allo stato attuale sono necessari 16.8 mg di catalizzatore per kw di potenza. Grazie a notevoli sviluppi la quantità richiesta è passata a circa 0.98 mg per kw o, in termini di costo, 25 al kw considerando i prezzi attuali. La densità di potenza massima che attualmente si può raggiungere con le PEMFC commerciali (in genere sono pile da 5 kw) è di circa 195 kw/m3 I ricercatori confidano nel limite prossimo raggiungibile di 490 kw/m3. Nel breve orizzonte temporale un sistema a fuel cell che include il combustibile, i controlli, il sistema di raffreddamento e di rimozione dell acqua prodotta operante a 3.1 bar (pressione richiesta al fine di ottenere una ragionevole densità di potenza) potrà produrre circa 45 kw/ m3 e circa 90 W/kg. Come riferimento, un motore a benzina di un utilitaria raggiunge i 400 W/kg. L efficienza dei sistemi di generazione di energia elettrica da combustibile per applicazioni a fini pratici si aggira attorno a 35% - 45%. Molti reclamano il fatto che le prestazioni delle fuel cell sono generalmente misurate in condizioni di laboratorio, senza considerare gli accessori. L efficienza attesa per un automobile o un impianto alimentato da fuel cell è di circa 35%, sicuramente meglio del rendimento degli attuali motori a benzina e diesel. A causa della bassa temperatura di funzionamento delle celle a combustibile ad elettrolita polimerico si presenta il problema di come disperdere il calore in eccesso. 4.4 VANTAGGI DELLE FUEL CELL Le automobili Fuel Cell con impiego diretto di idrogeno sono a impatto ambientale basso o nullo (Zero emissioni nocive). Dal tubo di scappamento di un'automobile Fuel Cell fuoriesce non escono gas dannosi alla salute ma soltanto vapore acqueo. I vantaggi in termini di riduzione dell'inquinamento dell'aria e di emissioni di CO2 sono notevoli. 4.5 SVANTAGGI DELLE FUEL CELL L'idrogeno non è una fonte di energia ma bensì uno strumento. E' purtroppo solo un vettore. Non esistendo libero in natura, perlomeno sulla Terra, deve essere prodotto mediante processi che a loro volta implicano consumo di energia. 4.6 QUALI SCENARI PER IL FUTURO DELLE FUEL CELL La prima via è quella delle automobili dotate di pile a combustibile con serbatoio di idrogeno che alimenta direttamente le celle a combustione. Detti Zev (Zero emissioni nocive), ossia veicoli a emissioni zero. Questi modelli implicano la presenza a bordo dell'idrogeno, il quale può essere stoccato in tre modi alternativi: idrogeno stoccato in forma liquida (molto difficile da ottenere visto che la temperatura da raggiungere è di -250 ); idrogeno stoccato in forma compressa ad elevata pressione (pericoloso per il fatto che se viene riscaldato troppo può esplodere); idrogeno stoccato mediante spugne idruri-metalliche ( il metodo e buono ma per comprimerla ci vorrebbero dei rulli troppo grossi e molto pesanti e sarebbe un costo elevato); 7

10 Capitolo: PROGETTO ELETTRICO 5 PROGETTO ELETTRICO 5.1 INTRODUZIONE Abbiamo cercato di progettare un circuito che ci permetta di usare l'idrogeno come vettore di energia. Il circuito in questione, in bassa tensione, ci ha permesso di condurre un esperienza innovativa sulle fonti rinnovabili, ed è creato nell ottica di non disperdere l energia prodotta in eccesso ma usarla per produrre idrogeno e ossigeno. 5.2 SCHEMA A BLOCCHI PRODUZIONE ENERGIA ELETTRICA IMPIANTO CIVILE REGOLATORE DI TENSIONE CONTROLLORE LOGICO (PLC o Microcontrollore) L'impianto è composto da 3 elementi: I dispositivi di produzione elettrica I regolatori di tensione Il controllore logico 8

11 Capitolo: PROGETTO ELETTRICO I DISPOSITIVI DI PRODUZIONE ELETTRICA Turbina eolica Capacità di potenza (velocità rotore di 2000 giri/min) 1 Watt Voltaggio in uscita diretta (velocità rotore di 2000 giri/min) DC 10 Volt Corrente in uscita diretta (velocità rotore di 2000 giri/min) 100 ma Voltaggio in uscita diretto (velocità rotore di 1000 giri/min) DC 5 Volt Corrente in uscita diretta (velocità rotore di 1000 giri/min) 50 ma Velocità del vento per muovere il rotore 1,6 m/s Velocità del vento affinché il generatore produca energia elettrica 2,2 m/s Pannello solare PEM Fuel Cell Dimensione (AxLxP) 12,5 x 15,5 x 8 centimetri Voltaggio 5 Volt Corrente 450 ma REGOLATORI DI TENSIONE Poiché l'obiettivo del progetto è semplicemente fare un'esperienza sull'utilizzo della tecnologia, abbiamo scelto un regolatore di tensione che eroghi un tensione di 5V DC con una potenza massima di 5W (ben oltre la capacità produttiva). Questo dispositivo alimenterà un LED che rappresenterà il nostro "impianto civile in miniatura". Integrato IC-7805 Voltaggio in ingresso V in = 7-20V Voltaggio in uscita V out = 5V ± 0.25 Corrente in uscita I out = 50mA A 9

12 Capitolo: PROGETTO ELETTRICO CONTROLLORE LOGICO Come controllore logico, verrà utilizzato una semplice Proto-Board con CHIP Amtel ATMEGA 32 8, che permetterà di implementare la logica di controllo dei segnali. Il micro-controllore avrà il compito di monitorare la quantità di energia elettrica prodotta rispettivamente dalla turbina eolica o dal pannello solare. Nel caso questa non fosse sufficiente ad alimentare il regolatore di tensione (quindi minore di 7V), quest'ultimo viene isolato e tutta l'energia elettrica prodotta viene direzionata verso l'elettrolizzatore. A questo punto il Micro- Controllore azionerà la Fuel Cell che, con l'idrogeno immagazzinato con recupero di energia fatto in precedenza, alimenta i dispositivi civili ( nel nostro caso un LED ). ATmega 32 8 Voltaggio Operativo: 5V ; Voltaggio in ingresso (Raccomandato): 7-12V ; Voltaggio in ingresso (Limiti): 6-20V ; I/O Digitali: 14 ; Input Analogici: 6 ; Corrente DC per I/O: 40 ma 10

13 Capitolo: PROGETTO ELETTRICO Diagramma di flusso del sistema di controllo Controllo valori di produzione di energia. V eolico V fotovoltaico Se la tensioni è minore di 7V VERO Disabilito il regolatore di tensione della casa e dirigo tutta l'energia all'elettrolizzatore FALSO Disabilito l'erogazione di idrogeno verso la Fuel Cell Abilito il regolatore di tensione della casa Abilito l'erogazione di idrogeno verso la Fuel Cell Ciclo ogni 20ms (50 Hz) 11

14 Capitolo: PROGETTO ELETTRICO 5.3 SCHEMA ELETTRICO 12

15 Capitolo: PROGETTO ELETTRICO Di seguito è rappresentata un possibile sviluppo del circuito su PCB di rame a doppia faccia. Di seguito è rappresentata un visione in 3D del circuito, rispettivamente nella vista dall alto e dal basso. 13

16 Capitolo: PROGETTO ELETTRICO COMPONENTI UTILIZZATI Per la realizzazione del circuito elettrico sono stati utilizzati i componenti seguenti: N.2 Resistenze (R2, R3) Valore: 1 MΩ N.1 Resistenza Variabile (Potenziometro Digitale) (R4) N.2 Diodi (D1, D3) Modello: 1N4007 N.1 Diodi (D2 Led) 3mm N.1 Resistenza protezione diodo Led(R1) Valore: 1 kω N.2 Regolatore di Tensione (U1, U2) Modello: IC7805 N.2 Condensatori ceramici Valore: 0,1 µf N.2 Condensatori ceramici Valore: 0,33 µf N.2 Transistor NPN (Q1, Q2) Modello: TIP122 N.4 Morsetti bipolari ( 6mm ) N.1 Morsetto SIL-6 N.1 Morsetto SIL CONSIDERAZIONI Come visto in precedenza, la tensione massima che possiamo raggiungere con i generatori, utilizzanti in questo progetto è di 10V. Sulla base di questo dato, abbiamo provveduto a dimensionare le resistenze presenti nel circuito al fine di avere dei segnali di tensione compatibili con le nostre esigenze. Il valore delle resistenze R2 ed R3 è stato scelto per dimezzare il valore di tensione prodotto dal generatore eolico al fine di poterlo convertire in un segnale digitale di tensione massima di +5V grazie alla regola del partitore di tensione. Il potenziometro digitale ha il compito di regolare la corrente diretta all elettrolizzatore per prevenire l arresto della pala eolica. I diodi D1 e D3 svolgono la funzione di impedire inversioni di polarità sui regolatori di tensione. I regolatori di tensione, U1 ed U2, provvedono a garantire al Led una tensione costante e stabilizzata (grazie anche agli elementi C1, C2, C3, C4) pari a +5V. I due transistor Q1 e Q2 ci consentono di isolare l alimentazione, rispettivamente di U1 e U2, permettendoci di scegliere la modalità di produzione elettrica più appropriata. Il connettore P3 permetterà di controllare l elettrovalvola di erogazione di idrogeno. Considerate le scelte effettuate per il circuito elettrico, è d obbligo evidenziare alcune criticità legate alle potenze operative dell impianto. Abbiamo stimato che la tensione massima raggiungibile dai micro-generatori che abbiamo in dotazione si attesta a circa 10V, di conseguenza abbiamo scelto una componentistica adeguata alle nostre esigenze. Nel caso le tensioni generate dovessero superare i 10V, abbiamo stimato che il massimo limite di tensione supportato dall impianto è di 20V (la tensione massima ammessa dai regolatori di tensione U1 e U2). Inoltre, nel primo approccio all attività di laboratorio il potenziometro digitale è stato sostituito da uno manuale, per fare le prime misure elettriche sull impianto. 14

17 Capitolo: BOZZA DI REALIZZAZIONE DEL PROTOTIPO 6 BOZZA DI REALIZZAZIONE DEL PROTOTIPO 15

18 Capitolo: CONCLUSIONI 7 CONCLUSIONI Noi studenti della Scuola Castellini pur consapevoli che il passo da questo nostro piccolo progetto alla realizzazione di una vera e propria centrale elettrica è lungo, sentiamo la necessità di dover contribuire alla nascita e allo sviluppo di un futuro differente, nel nostro piccolo e per quanto ci compete ma con la consapevolezza che è possibile attuare metodi di produzione di energia elettrica ecosostenibili, e sicuri. Abbiamo, per cui, voluto realizzare in scala il nostro impianto mettendo in pratica quanto studiato in precedenza, tenuto conto di tutte le limitazioni alle quali il modellino in scala ci ha costretto, siamo in ogni caso riusciti a realizzare un impianto in grado di dimostrare i principi di funzionamento che abbiamo studiato, e successivamente adeguato alle nostre esigenze. Una futura implementazione potrebbe risiedere nella possibilità di ottimizzare il processo dell elettrolisi con la tecnica ad alta temperatura, citata precedentemente, ottenuta grazie ai pannelli termo solari. Sarà, in questo caso, necessario progettare nuovamente la logica di controllo dell impianto, implementando i processi che gestiscono i pannelli termo solari, le temperature di mandata dell impianto idraulico. Gli studenti Alessandro Maturo ( III Operatori Elettrici Elettronici ) Alessio Trombini ( I Operatori Elettrici Elettronici ) Daniele Palumbo ( III Operatori Elettrici Elettronici ) Dennis Guerrera ( II Operatori Elettrici Elettronici ) Iacopo Rizzato ( II Operatori Elettrici Elettronici ) Shashi Raj Herpersad ( I Operatori Elettrici Elettronici ) Docente Prof. Nicola Gasbarro Prof. Gianfranco Noseda Progetto prodotto dalla Fondazione G.Castellini Via Sirtori, Como (CO) Presso il laboratorio elettrico industriale 16