l elemento più abbondante dell universo Principale costituente delle stelle presente nel sole per circa il 90%
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- Antonella Bello
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1 Jules Verne: L'Isola Misteriosa (1874), IDROGENO "...Io credo che l'acqua sarà un giorno usata come combustibile poiché l'idrogeno e l'ossigeno che la costituiscono, usati separatamente o insieme, forniranno un inesauribile sorgente di calore e luce..." L idrogeno fu scoperto nel 1766 dal britannico Henry Cavendish. Il nome idrogeno, che deriva dal greco e significa generatore d acqua, fu assegnato all elemento da Antoine-Laurent Lavoisier. 1 l elemento chimico più leggero esistente in natura (contiene un protone e un elettrone). Simbolo: H a temperatura ambiente è un gas, incolore, inodore, non tossico (ma altamente combustibile) nel gas, l idrogeno si trova come H 2 (due atomi legati fra loro) H il gas H 2 pesa 8 volte meno del metano e 16 volte meno dell ossigeno H 2 IDROGENO l elemento più abbondante dell universo Principale costituente delle stelle presente nel sole per circa il 90% (Circa 14,4 volte più leggero dell aria) Sulla terra non si trova allo stato libero La quantità di idrogeno libero (molecole H 2 ) presente sul pianeta è irrilevante [è un componente in tracce dell atmosfera, 0.5 ppmv (parti per milione in volume)]. nella crosta terrestre si trova combinato, con carbonio, ossigeno ed altri elementi Composizione atomica è uno dei principali costituenti del mondo vegetale e animale dell'universo 3 4 L idrogeno (come gli altri combustibili) contiene energia chimica nel suo legame. facendo reagire (combustione) il combustibile con l ossigeno l energia chimica si trasforma in energia termica 2 H 2 + O 2 2 H 2 O Composizione atomica della crosta terrestre 5 Un kg di H 2 che brucia produce circa 142 Mj 6
2 I combustibili più usati attualmente sono Idrocarburi, legno, carbone Quando si brucia un idrocarburo (oltre all energia) si ottengono CH O 2 2 H 2 O + CO 2 inquinanti polveri incombuste NO 2, N 2 O 4,... ossidi di azoto O 3 ozono effetto serra L idrogeno è il combustibile col più alto potere calorifico 1kg di CH 4 che brucia produce circa 56 Mj 7 energia liberata dalla combustione di 1 kg di combustibile8 legno carbone legno petrolio kerosene carbone etanolo metanolo metano petrolio gas naturale benzina kerosene idrogeno etanolo metanolo metano gas naturale benzina idrogeno Mj Il problema è che l idrogeno gassoso ha una densità molto bassa. Potere cal A temperatura e pressione ambiente 1 kg di H 2 occupa litri, mentre 1 kg di benzina occupa circa 1,3 litri L idrogeno liquido ha una densità di 70,99 kg/m 3. dopo l elio è il gas più difficile da liquefare; 9 10 L idrogeno non è tossico, né corrosivo eventuali perdite dai serbatoi non causano problemi di inquinamento è meno infiammabile della benzina. la sua temperatura di autoaccensione è di circa 550 C, contro i C dei carburanti 11 12
3 L idrogeno è un vettore di energia, non una fonte di energia: deve essere prodotto da fonti primarie (spendendo energia). L idrogeno, dunque, non risolve il problema energetico (fonti primarie). Tuttavia, se prodotto da fonti noninquinanti, può aiutare a risolvere i ambientali. problemi è un combustibile pulito solo se il processo di produzione è a sua volta pulito: altrimenti l inquinamento viene solo trasferito dal luogo di utilizzo al luogo di produzione può essere prodotto in modi diversi e da differenti fonti di energia Le più importanti fonti di idrogeno sono l acqua e gli idrocarburi PRODUZIONE Elettrolisi dell acqua Steam reforming del gas metano Ossidazione parziale di idrocarburi Gassificazione del carbone Gassificazione e pirolisi delle biomasse Altri metodi Alcune tecnologie sono già affermate, mentre per altre occorrono ancora notevoli sforzi di ricerca e sviluppo H
4 H 2 O H 2 (energia chimica) Energia elettrica ½ O litro H 2 O 6,299 kwh el Energia elettrica 1,358 m³ H 2 4,41 kwh di energia chimica 0,679 m³ O 2 21 Schema della produzione di idrogeno da fonte solare per via termochimica 22 REFORMING DEGLI IDROCARBURI Circa la metà dell idrogeno mondiale viene attualmente prodotta mediante Steam Methane Reforming (SMR). Il metodo può essere applicato anche ad altri idrocarburi leggeri Il rendimento globale di questo processo di produzione dell idrogeno è circa 80% (cioè il contenuto energetico dell idrogeno prodotto ammonta a circa l 80% dell energia spesa per produrlo). 23 Estraendo l'idrogeno da 1 metro cubo di metano si produce la stessa quantità di anidride carbonica che si avrebbe bruciando direttamente quel metro cubo di gas. Estraendo l'idrogeno dall'acqua non si produce anidride carbonica, ma occorre utilizzare energia elettrica: se tale energia viene prodotta dalle centrali termoelettriche (come generalmente avviene) occorre considerare l'inquinamento che esse generano. Una unità di energia fornita da questo combustibile inquina molto di più di un'unità di energia ottenuta direttamente da un combustibile fossile tradizionale 24
5 FORMA GASSOSA Compressione Trasporto Stoccaggio Distribuzione FORMA LIQUIDA Liquefazione Trasporto Stoccaggio Distribuzione Paragone tra idrogeno liquido e gassoso 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 29 Vantaggioso per grosse quantità (> m 3 /h): bassi costi operativi Esistono reti di distribuzione fra impianti 720 km in USA km in Europa ad Arezzo, il 30 aprile 2008, è stato inaugurato il primo idrogenodotto al mondo realizzato in area urbana 30
6 L idrogeno compresso, rappresenta la soluzione più conveniente per basse produzioni e brevi distanze L idrogeno liquido è da preferirsi per basse produzioni e lunghe distanze I gasdotti rappresentano la soluzione più economica per alte produzioni o lunghe distanze Gli idruri sono una soluzione da adottare solo per brevi distanze IDROGENO COMPRESSO Metodo più semplice ed economico Alte pressioni ( bar) per compensare bassa densità energetica peso ed ingombro dei serbatoi Nuovi materiali (Resistenti ad alte pressioni e più leggeri) Problemi di sicurezza IDROGENO LIQUEFATTO Portare e mantenere H 2 a -253 C Necessità di super contenitori isolanti Alto tasso di evaporazione Pericoloso Molto costoso Tecniche di Stoccaggio dell Idrogeno (I) Stoccaggio in bombole ad alta pressione bar Sono disponibili bombole con pressione pari a 350 bar Tecniche di stoccaggio dell Idrogeno (II) Stoccaggio in forma liquida a 253 C a 2-3 bar. I problemi di isolamento termico oggi sono stati completamente superati. già si parla però di pressioni ancora superiori attorno ai 700 bar. 35 Un esempio di estrema funzionalità è il serbatoio della BMW 750h, 36
7 Tecniche di accumulo dell Idrogeno (III) L idrogeno può legarsi chimicamente con diversi metalli, formando idruri che sono in grado di intrappolare l idrogeno, a pressioni relativamente basse la modalità più sicura di accumulo dell idrogeno. Il problema maggiore è il peso del serbatoio e la attuale scarsa capacità di accumulo UTILIZZO 1. Sistemi di generazione stazionaria Celle a combustibile Turbine 2. Sistemi per trasporto Celle a combustibile Motori a combustione interna 3. Usi industriali Ci sono due modi per far funzionare una automobile con idrogeno: motore a combustione diretta di idrogeno celle a combustibile con motore elettrico USO DIRETTO L'idrogeno può essere stoccato a bordo del veicolo in forma liquida ad una temperatura di -253 C (serbatoi a doppia parete, ove viene fatto il vuoto) Oppure motore a combustione 41 Sotto forma gassosa ad alta pressione (in bombole molto robuste) 42
8 SVANTAGGI DELL H 2 LIQUIDO maggiore complessità del sistema, non solo a bordo del veicolo ma anche a terra, per la distribuzione ed il rifornimento costo energetico della liquefazione circa il 30% del contenuto energetico del combustibile, contro un valore compreso tra il 4% ed il 7% per l idrogeno compresso. CELLE A COMBUSTIBILE Sistemi elettrochimici capaci di convertire l energia chimica di un combustibile (in genere idrogeno) direttamente in energia elettrica rendimenti di conversione più elevati rispetto a quelli delle macchine termiche convenzionali CELLE A COMBUSTIBILE funziona in modo analogo ad una batteria consuma sostanze provenienti dall esterno ed è quindi in grado di funzionare ininterrottamente finché al sistema viene fornito combustibile (idrogeno) ed ossidante (ossigeno o aria). H 2 (energia chimica) ½ O 2 Energia elettrica (corrente continua) Calore H 2 O
9 SCHEMA DI FUNZIONAMENTO l idrogeno (all anodo) viene scisso da un catalizzatore di platino in elettroni e protoni (ioni idrogeno): I protoni passano attraverso la membrana si combinano con l ossigeno e gli elettroni producendo acqua. Gli elettroni, che non possono attraversare la membrana, passano dall anodo al catodo attraverso un circuito esterno FASE 1. All'interno di due circuiti separati idrogeno e ossigeno fluiscono nella zona prossima ai catalizzatori FASE 2. Al contatto con l'anodo, le molecole di idrogeno si scindono, liberando ioni positivi, che si spostano verso il catodo, ed elettroni che percorrono un circuito esterno, producendo energia elettrica. H 2 O FASE 3. Gli elettroni proseguono verso il catodo dove si ricombinano con i protoni; gli atomi di idrogeno ricomposti si ossidano (si combinano con quelli di ossigeno). FASE 4. Il residuo di questo processo è formato da acqua pura (due atomi di idrogeno e uno di ossigeno) 53 54
10 IMPIEGHI DELLE FC 1. Trazione per veicoli 2. Alimentazione di reti elettriche (per case, condomini, ospedali) 3. impieghi portatili (telefoni cellulari, computer) Percorso di 400Km Il problema nell uso dell idrogeno per le macchine è che occupa troppo spazio Un auto convenzionale consuma circa 24 Kg di carburante Un auto a combustione a idrogeno consuma 8 Kg di idrogeno 4 kg H 2 immagazzinati come: Un auto a cella a combustibile consuma 4 Kg di idrogeno 57 MgNiH 4 LaNi 5 H 6 H 2 liquido H 2 (200 bar)
11 ALIMENTAZIONE CON COMBUSTIBILI Veicoli con motori a celle a combustibile pro Emissioni quasi zero Buone prestazioni (autonomia, accelerazione) Alta efficienza contro Stoccaggio a bordo dell idrogeno Sicurezza e normativa infrastrutture Bassi costi di manutenzione (rispetto ai motori a combustione interna)
12 Problemi di ingombro La posizione dei costruttori di veicoli ad idrogeno Fiat luglio Al distributore Eni (Agip) di Grecciano, sulla superstrada Firenze-Pisa-Livorno Primo distributore ad Idrogeno aperto in Italia il primo erogatore al mondo di idrogeno prodotto utilizzando energia rinnovabile settembre 2007 L'Eni ha inaugurato Un distributore di idrogeno a Mantova. Progetto Zero Regio, finanziato dalla Commissione Europea. due pompe per H 2 a 350 bar per servire la flotta di tre Fiat Panda Hydrogen della Regione Lombardia, Entro il 2010 sarà operativa la prima rete di distributori per auto a idrogeno in Italia. Sarà realizzato in Puglia in applicazione del protocollo siglato tra la Regione e il Governo nel I distributori a idrogeno saranno aperti in tutte le province pugliesi per complessive sei stazioni di rifornimento. 70 CENTRALE ELETTRICA 71 72
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