Dipartimento di Ingegneria Ambientale Università degli Studi di Genova. Elisabetta Arato Trento, 28 aprile 2006

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1 Dipartimento di Ingegneria Ambientale Università degli Studi di Genova Elisabetta Arato Trento, 28 aprile 2006

2 IL PROBLEMA ENERGETICO Crescita esponenziale del fabbisogno energetico mondiale Oggi l 88% dell energia prodotta deriva da combustibili fossili E previsto un incremento del 70% delle emissioni annue di CO 2 nel prossimo trentennio Il raggiungimento del picco della produzione petrolifera è atteso entro i prossimi 50 anni SVILUPPO SOSTENIBILE? Fonti rinnovabili Combustibili che rilascino meno CO 2 per unità di energia prodotta Tecnologie di risparmio energetico Vettori energetici che consentano la delocalizzazione delle emissioni di CO 2 Vista notturna del globo dal satellite

3 FABBISOGNO ENERGETICO MONDIALE

4 NORD AMERICA [TWh]

5 NORD AMERICA ITALIA ITALIA, 2000 Energia elettr import (5%) Energia rinnov (7%) Combustibili fossili (7%) Gas naturale (32%) Petrolio (49%)

6 ITALIA

7 EMISSIONI DI CO 2

8 EMISSIONI DI CO 2

9 EFFETTO SERRA CO 2, NO x, CH 4 (VOC) permettono alle radiazioni luminose provenienti dal sole di attraversare l atmosfera, queste radiazioni a contatto con la crosta terrestre si convertono in radiazioni a lunghezza d onda maggiore (infrarossi- calore). Le stesse molecole sono opache a radiazioni a lunghezza d onda maggiore e intrappolano il calore da esse trasportato con il conseguente riscaldamento del globo. Questo fenomeno è all origine degli sconvolgimenti climatici che stiamo vivendo.

10 EFFETTO SERRA

11 EFFETTO SERRA 1989 Mappa delle temperature nell estate

12 SEGREGAZIONE CO2

13 FONTI TRADIZIONALI E NON

14 ENERGIA SOLARE ENERGIA EOLICA ENERGIA delle MAREE ENERGIA del MOTO ONDOSO ENERGIA GEOTERMICA ENERGIA dei GRADIENTI TERMICI ENERGIA NUCLEARE ENERGIA delle BIOMASSE

15 IL PROCESSO DI DECARBONIZZAZIONE

16 LA SOLUZIONE VETTORE IDROGENO H 2 + ½ O 2 H 2 O + ENERGIA H 2 O 2 H 2 O

17 LA SOCIETÀ DELL IDROGENO INFRASTRUTTURE STOCCAGGIO Gas compresso Liquido Supporti solidi

18 LA SOCIETÀ DELL IDROGENO

19 LA SOCIETÀ DELL IDROGENO Air Product (UK)

20 LA SOCIETÀ DELL IDROGENO

21 STOCCAGGIO H 2 : GAS COMPRESSO

22 STOCCAGGIO H 2 : STATO LIQUIDO

23 STOCCAGGIO H 2 : SUPPORTI SOLIDI Idruri Metallici Nanostrutture di Carbonio enea enea

24 PRODUZIONE ED IMPIEGO DELL IDROGENO

25 PRODUZIONE DI ENERGIA ELETTRICA CELLE A COMBUSTIBILE ELEVATI RENDIMENTI BASSO IMPATTO AMBIENTALE

26 Sir William Growe, batteria a gas immagine pubblicata dalla Royal Society al congresso del 1843

27 CARATTERISTICHE GENERALI - Conversione diretta dell energia - Assenza di parti in movimento - Ridotto impatto ambientale sia di tipo chimico che acustico - Flessibilità nella scelta del combustibile - Buone prestazioni in condizioni di off-design - Flessibilità di taglia - Modularità - Applicabilità in sistemi di generazione dispersa (generatori stazionari on-site, piccoli gruppi elettrogeni, autotrazione, etc.)

28 LE CELLE A COMBUSTIBILE

29 CONFRONTO COSTI per UNITA da 1 MW Rising cost curve as diesels are required to lower emissions Steep cost reductions from reduced materials and volume production Higher capital costs, but higher efficiency and green incentives $ Cents / kwh Diesel target target Mini Turbine target (high) Fuel Cell target (low) Source: Schroeder Salomon Smith Barney estimates Capital Costs Variable Costs

30 PRINCIPALI FILIERE TECNOLOGICHE di CELLE a COMBUSTIBILE e - AFC : Alkaline Fuel Cell PEMFC : Proton Exchange (or Polymer Electrolyte) Membrane Fuel Cell DMFC : Direct Methanol Fuel Cell PAFC : Phosphoric Acid Fuel Cell MCFC : Molten Carbonate Fuel Cell SOFC : Solid Oxide Fuel Cell AFC PEMFC DMFC PAFC MCFC SOFC Fuel H 2 H 2 O H 2 CH 3 OH CO 2 H 2 H 2 H 2 O H 2 H 2 O OH - O C H + O 2 H + H + = CO 3 O = H 2 O O 2 H 2 O O 2 H 2 O O 2 CO 2 O 2 80 C 80 C 200 C 650 C 1000 C Oxygen (Air) Anode Electrolyte Cathode

31 APPLICAZIONI PEMFC Impianto Ballard Generation System, 1997 PEMFC 250 kw Efficienza elettrica 40% LHV DMFC Energia termica C Dimensioni: 2.4 m di profondità X 2.4 m di altezza X 5.7 m di lunghezza Peso kg Le principali recenti applicazioni sono state sviluppate nel campo dei sistemi portatili e dei trasporti (General Motors, Volkswagen, Volvo, Honda, Chrysler, Nissan, Ford, Ballard, Toyota, Daimler-Benz, FIAT, Ansaldo, Renault,

32 APPLICAZIONI PAFC Impianto PC-25 International Fuel Cell Corporation 200 kw Efficienza elettrica 40% LHV Efficienza globale 80% LHV Energia termica kj/hour at 60 C Dimensioni: 3 m di profondità X 3 m di altezza X 5.5 m di lunghezza Peso kg Attualmente in commercio Altre realizzazioni nel campo dei trasporti e delle applicazioni militari.

33 APPLICAZIONI MCFC Impianto Energy Research Corporation, Santa Clara (California) 2 MW (16 x 125 kw) Efficienza elettrica 58% LHV Energia termica kj/hour Tempo di esercizio sperimentale 3400 ore Prossima commercializzazione di moduli da 300 kw. Impianto MC Power Corporation, Miramar San Diego (California) 274 kw (16 x 125 kw) Efficienza elettrica 44.4% (54.4% con cogenerazione) Tempo di esercizio sperimentale 2350 ore

34 APPLICAZIONI SOFC Impianti Siemens Westinghouse Power Corporation, Orlando (Florida) 25 kw e 100 kw Efficienza elettrica 45% LHV Dimensioni impianto da 100 kw: 2.5 m di profondità X 3.5 m di altezza X 8.5 m di lunghezza Commercializzazione prevista per sistemi ibridi SOFC/TG con rendimento totale del 60% operando con gas naturale

35 PEMFC STATO DELL ARTE DMFC PAFC MCFC SOFC

36 ... credo che un giorno si utilizzerà l'acqua come carburante e che l'idrogeno e l'ossigeno che la costituiscono, usati singolarmente o combinati, forniranno una fonte inesauribile di calore e di luce... Giulio Verne, L'isola misteriosa, 1874