IDROGENO DA RINNOVABILI GLI OBIETTIVI DELLA RICERCA

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1 IDRGEN DA RINNVABILI GLI BIETTIVI DELLA RICERCA Direttore CNR-ITAE Messina Giornata di Studio dedicata al tema: ENERGIA E AMBIENTE TECNLGIE D ECCELLENZA NELLE APPLICAZINI INDUSTRIALI CATANIA 30 TTBRE 2009 Palazzo Platamone

2 Idrogeno vettore energetico Un vettore energetico è un composto in grado di veicolare l'energia da una forma ad un'altra. Si parla di vettore e non di fonte energetica quando il composto deve essere prodotto e raccolto a partire da una forma di energia precedente. L idrogeno, è certamente un vettore energetico, essendo assente sulla terra in forma molecolare. Hydrogen energy and fuel cells a vision of our future. Final report of the High level group EUR EN Directorate-General for Research and Directorate-General for Energy and Transport (2003).

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4 Idrogeno vettore energetico per le fonti rinnovabili Energia elettrica Energia elettrica Elettrolisi Fuel Cell Energy Accumulo di idrogeno 2 luce Fotoelettrolisi 2 calore Decomposizione Termochimica dell acqua Biomasse

5 Elettrolisi dell acqua L elettrolisi dell acqua risale al 1800 quando Nicholson e Carlisle scoprirono la possibilità di scindere l acqua nei suoi costituenti (H e ) tramite energia elettrica. Tecnologia consolidata: Elettrolizzatori alcalini Nuova tecnologia Elettrolizzatori a polimero solido SPE Vantaggi degli elettrolizzatori ad elettrolita solido: Possibilità di lavorare ad elevate densità di corrente Notevole compattezza Elevato grado di purezza pportunità di ottenere idrogeno ad alta pressione Maggiore sicurezza ed affidabilità per l assenza di elettroliti liquidi corrosivi

6 Elettrolizzatore a polimero solido SPE Applicando una differenza di potenziale attraverso la cella elettrochimica si inducono le reazioni elettrochimiche ad entrambi gli elettrodi. L acqua si introduce all anodo dove si produce ossigeno, mentre l idrogeno si libera al catodo. 2 Anodo 2H + + 2e E (25 C) = 1.23 V A N D c Elettrolita polimerico H + H + H + c C A T D Cathode 2H + + 2e - E (25 C) = 0.00 V Flusso di elettroni Reazione globale di cella E (25 C) = 1.23 V

7 Current / A Consiglio Nazionale delle C Joint Lab. CNR-ITAE - TZZI Flussi di prodotti 80 L h 300 W H2 produced / L h -1 Efficienza dello stack L h 220 W Power / W η Efficiency / C Stack ITAE A (HHV) A (LHV) Efficiency with respect to LHV (3.96 V) Efficiency with respect to HHV (4.41 V) Current [A]

8 Idrogeno vettore energetico per le fonti rinnovabili

9 Cella a combustibile (FC) Reazione ANDICA 2H H Reazione CATDICA 2 4H 4e 2H 2 e Fuel Cell Celle rigenerative Elettrolizzatore (EZ) Reazione ANDICA 2H 4H e 2 4 Reazione CATDICA 4H 4e 2H biettivo 2 2 Attività Sviluppo e caratterizzazione di materiali e componenti, membrane, catalizzatori, elettrodi); Progettazione e realizzazione di dispositivi Garantire un notevole risparmio in termini di materiali, componenti ed ingombro rispetto al sistema elettrolizzatore-cella a combustibile

10 Idrogeno vettore energetico per le fonti rinnovabili Energia elettrica Energia elettrica Elettrolisi Fuel Cell Energy Accumulo di idrogeno 2 luce Fotoelettrolisi 2 luce Decomposizione Termochimica dell acqua Biomasse

11 Foto-elettrolisi Produzione di idrogeno utilizzando la tecnologia dei materiali semiconduttori in un processo di separazione dell acqua ad unico step, sfruttando la luce solare. Questo sistema combina in un unico dispositivo una cella fotovoltaica ed un elettrolizzatore. Reference Electrode Gas inlet Counter electrode Fotoelettrodo Ti 2 - Controelettrodo Pt Attività Working electrode ttimizzazione tecniche di deposizione del foto-anodo (Ti 2 ) Caratterizzazione chimico-fisica ed elettrochimica del fotoanodo (Ti 2 puro e drogato) Quartz window Risultati: efficienze 1-2 %

12 Idrogeno vettore energetico per le fonti rinnovabili Energia elettrica Energia elettrica Elettrolisi Fuel Cell Energy Accumulo di idrogeno 2 luce Fotoelettrolisi 2 luce Decomposizione Termochimica dell acqua Biomasse

13 Decomposizione termochimica dell acqua La decomposizione termochimica dell acqua, detta termolisi, utilizza solo energia termica per la scissione della molecola. Ciclo Iodio-Zolfo

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15 Idrogeno vettore energetico per le fonti rinnovabili Energia elettrica Energia elettrica Elettrolisi Fuel Cell Energy Accumulo di idrogeno 2 luce Fotoelettrolisi 2 luce Decomposizione Termochimica dell acqua Biomasse

16 Produzione di Idrogeno da Biomasse Metodi Termochimici processi basati sull'azione del calore che permette la trasformazione chimica delle materie ligno-cellulose con umidità inferiori al 30%. ssidazione incompleta ad elevata temperatura ( C). separazione e pulizia syngas Biomassa 80-95% Vegetali & Residui organici Gassificazione Residuo solido 40-70% Syngas, C, C 2, N 2, CH 4 Pirolisi veloce Decomposizione-distillazione a bassa temperatura ( C), in forte carenza di ossigeno. lio di Pirolisi Reforming

17 Produzione di Idrogeno da Biomasse Metodi Biochimici Processi di decomposizione basati sull azione di batteri anaerobici attivati da enzimi, funghi e microrganismi. Digestione-Fermentazione BIMASSA AMIDI e ZUCCHERI ACIDI RGANICI e ALCLI + C 2 IDRLISI, dove le molecole organiche subiscono scissione in composti più semplici quali i monosaccaridi e amminoacidi. ACIDGENESI, dove avviene l'ulteriore scissione in molecole ancora più semplici come gli acidi grassi volatili. ACETGENESI, dove le molecole semplici prodotte nel precedente stadio sono ulteriormente digerite producendo biossido di carbonio e idrogeno.

18 Produzione di Idrogeno da Biomasse Metodi fotobiochimici Alcune alghe e batteri sono in grado di produrre idrogeno sotto specifiche condizioni. BIFTLISI dell acqua, processi legati a batteri rossi, cianobatteri e microalghe capaci di sfruttare la via metabolica per assorbire la luce solare e scindere l acqua nei suoi componenti di idrogeno e ossigeno. Water + light Photosystem-2 (PSII) Photosystem-1 (PSI) 2 e - + 2H + Hydrogenase 2 FTFERMENTAZINE, Processo basato sull utilizzo di alcuni batteri fotosintetici ed alcuni enzimi in grado, in condizioni anaerobiche, di convertire gli acidi organici e gli alcoli in donatori di elettroni necessari alla produzione di idrogeno. [C ] 2 Ferredoxin Nitrogenase Esempio di Foto-bioreattore

19 Produzione di Idrogeno da Biomasse Tecnologie Fotobiochimiche: La ricerca è incentrata su due approcci: sistemi whole-cell, che coinvolgono batteri, hanno potenziale per la produzione a breve termine con efficienza di conversione dal 5% al10%. sistemi cell-free, che utilizzano solo gli enzimi che producono l idrogeno si prospettano come tecnologie di produzione a lungo termine che possono raggiungere un efficienza di circa il 25%. Tecnologia ibrida

20 Idrogeno vettore energetico per le fonti rinnovabili Energia elettrica Energia elettrica Elettrolisi Fuel Cell Energy Accumulo di idrogeno 2 luce Fotoelettrolisi 2 luce Decomposizione Termochimica dell acqua Biomasse

21 HW CAN WE STRE HYDRGEN? HYDRGEN STRAGE CLASSIFICATIN BY HYDRGEN FRM GAS LIQUID SLID Steel tanks Composite tanks Cryogas Glass microspheres Cryogenic NaBH 4 solutions Rechargeable organic liquids Anhydrous ammonia NH 3 Carbon and HSA materials Metal hydrides Chemical hydrides Complex hydrides

22 Confronto fra i sistemi di accumulo

23 TARGET DEL DE PER I SISTEMI DI ACCUMUL DI IDRGEN Nel 2009 il DE ha rivisto i TARGET basati sulla reale esperienza nei veicoli a Fuel cell. Source: Sara Dillich 2009 DE H2 Program & Vehicle Technologies Program Merit Review and Peer Evaluation Meeting May 19, 2009

24 Efficienza energetica dei sistemi di accumulo

25 Attività Caratterizzazione di materiali per adsorbimento (fisiochimico) di idrogeno; Misura della capacità di accumulo di materiali mediante tecniche termogravimetriche; Bilancio energetico di sistemi di accumulo di idrogeno; Progettazione di dispositivi Accumulo di Idrogeno ITAE CNR BILANCIA A SSPENSINE MAGNETICA biettivi Sviluppo di materiali adsorbenti basati su idruri metallici, zeoliti, materiali polimerici; Sviluppo di modelli matematici di simulazione di sistemi di accumulo per applicazioni automobilistiche; Progettazione di sistemi di accumulo con idruri metalli per applicazioni automobilistiche. GAS INERTE MAGNETE IN PRESA MAGNETE IN SSPENSINE GAS

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