idrogeno Laboratorio Sensori e Semiconduttori Dr. Marco Stefancich Gruppo Sensori e Semiconduttori Dipartimento di Fisica/CNR Università di Ferrara

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1 Dipartimento di Fisica Università di Ferrara INFM/CNR UdR di Ferrara L energia solare per la produzione di idrogeno Dr. Marco Stefancich Gruppo Sensori e Semiconduttori Dipartimento di Fisica/CNR Università di Ferrara Laboratorio Sensori e Semiconduttori

2 Antichità L energia nella storia L energia animale ed il vento sono state, per lungo tempo, le uniche forme di energia meccanica disponibile per l umanità A.D. 640 (Persia) A.D (Inghilterra) 1720 Il motore a vapore prima e quello a combustione interna poi hanno cambiato completamente il modo di vivere. 1880

3 Le fonti classiche di energia nelle varie epoche Fino al XVIII secolo il legno era essenzialmente l unica forma di combustibile utilizzata dall uomo per illuminazione e riscaldamento Il Petrolio ed i suoi derivati sostituiscono il carbone nel XX secolo L energia nucleare offre una fonte pulita ma crescenti perplessità sulla sua sicurezza hanno indotto vari La distribuzione capillare di corrente elettrica ha cambiato la realtà del XX secolo Il carbone domina il IXX e parte del XX secolo con le prime avvisaglie delle imponenti conseguenze ambientali del suo uso Il gas è una fonte pulita e sicura di riscaldamento e per la

4 Aspetti economici delle scelte energetiche punti principali da considerare quando si parla di diverse fonti energetiche sono: Approvvigionamento. Dove si trova il combustibile? (costi di estrazione, rischi politici, scorte) Come lo si trasporta e quanto costa? (costo e rischi di trasporto) Gestione delle riserve Come si accumula? (costo e rischi legati alla gestione delle scorte) Generazione di energia Come si produce energia dal combustibile? (costo e rischi di impianto) Distribuzione dell energia prodotta Come si distribuisce l energia prodotta? (costo e rischi di distribuzione) Accumulabilità dell energia prodotta. Impatto ambientale Quali scorie produce il processo? Possono essere abbattute? (fattibilità e costo) Impatto sociale E una fonte socialmente accettabile?

5 Fonti energetiche attuali Le scelte energetiche realisticamente possibili (con le percentuali di uso corrente) sono: Carbone Petrolio Gas Naturale Fissione Nucleare Idroelettrico Altre rinnovabili I parametri da considerare per determinare il costo dell energia prodotta sono: Costo di impianto per Kw di potenza installata (capital cost) Durata dell impianto in ore di funzionamento (determina l energia massima generabile dall impianto e quindi il peso del capital cost sul costo del kwh prodotto) Manutenzione di impianto (simile al capital cost si esprime in $/Kw potenza) Il costo (per kwh di energia prodotta) del combustibile usato

6 La Combustione delle fonti fossili C+O 2 =>CO 2 +Energia CH 4 +2O 2 =>CO 2 +2H 2 O+Energia 1 KWh ~ 340 g di C 1 KWh ~ 1 Kg di CO 2 ~ 500 litri di CO 2

7 La combustione dell Idrogeno 2H 2 +O 2 =>H 2 O+Energia 1 KWh ~ 89 g di H 2 1 KWh ~ 800 g di H 2 O 1 KWh = 0 g di CO 2 L idrogeno è il veicolo energetico avente il miglior rapporto energia/peso. Ma l idrogeno NON è una fonte energetica

8 Il ruolo delle energie rinnovabili Le fonti energetiche tradizionali non offrono una prospettiva di sostenibilità a lungo termine (sia per l approvvigionamento che per l impatto ecologico). Le uniche fonti che possono fornire energia senza aumentare il contributo di CO 2 ed essendo ampiamente disponibili sono Idroelettrico Eolico Solare (90000 kmq fornirebbero l energia termica planetaria) Sfruttamento delle maree In ultima analisi sono TUTTE FORME DI ENERGIA SOLARE

9 Che cos é il PV? Conversione diretta della luce in energia elettrica. La potenza tipica inviata dal sole sulla terra é di 1000 W/m 2, ma solo il % può essere convertito in energie elettrica utile Il materiale più diffuso per la generazione fotovoltaica é il silicio

10 Che cosa è l energia solare fotovoltaica? Basandosi sull effetto fotoelettrico è possibile produrre corrente elettrica direttamente dall illuminazione, con luce solare, di opportuni materiali semiconduttori L effetto fotoelettrico n quanto di luce (fotone) incidendo su un atomo può essere in grado di strappare tale lettrone dall orbitale atomico più esterno rendendolo libero di muoversi nel materiale e reando una carica positiva residua nel materiale. + - elettrone Ione positivo (Lacuna)

11 Il ruolo dell energia energia solare L energia fotovoltaica può essere usata per integrare i consumi di energia elettrica delle abitazioni (e fornire indipendenza in caso di black-out) Oppure si possono concepire potenti centrali solari che integrino i picchi di assorbimento diurni della rete elettrica.

12 Stabilità di erogazione / instabilità della fornitura La variabilità del flusso solare rende intermittente l elettricità solare. L idrogeno può essere usato per accumulare l energia prodotta e per riempire i periodi in cui non è presente radiazione solare rendendo più stabile la fornitura.

13 Analisi economica dei sistemi fotovoltaici piani Nei pannelli fotovoltaici piani il costo é diviso in 3 parti Materiale Assemblaggio 45 avorazione della cella Il costo finale del sistema é di /W er l elevato costo del materiale di partenza e della lavorazione non é prevedibile una riduzione dei costi sistemi fotovoltaici non concentrati non possono, quindi, essere proposti come fonte per produzione di energia su larga scala

14 Esistono alternative? La proposta della concentrazione

15 Raffreddamento per la coproduzione di acqua calda 100 µm pecchi o lenti per ncentrare la luce nseguimento per Celle fotovoltaiche ad elevata efficienza

16 Un generatore di energia elettrica fotovoltaica a basso costo può trovare nell idrogeno il suo naturale completamento per lo stoccaggio di quanto prodotto. Il nuovo prototipo

17 ed un esempio di sistema ad elevata efficienza Pannelli di celle al Si e InGaP

18 Vantaggi dei sistemi a concentrazione Costi inferiori, per unità di potenza, rispetto al fotovoltaico piano e randi potenzialità di incrementare ulteriormente il rendimento. Maggiore energia prodotta a parità di potenza rispetto ai pannelli pian dovuta all insegumento solare). Ridotto uso di silicio e quindi insensibilità alla rigidità dell offerta di uesto materiale Facilità di produzione di massa (stampi, motori, supporti, vetreria ono industrie comuni e diffuse) Maggiore facilità di installazione Facilità nella modifica delle dimensioni e, quindi, della potenza. Per questi motivi il fotovoltaico a concentrazione può essere considerato una potenziale fonte energetica su ampia scala.

19 Il ruolo dell idrogeno Le fonti fossili non offrono una risposta energetica a lungo termine L idrogeno rappresenta una alternativa (in particolare per l autotrazione) ma Solo un idrogeno generato da fonti rinnovabili può offrire realmente una strada sostenibile all energia. L idrogeno prodotto da combustibili fossili (processi di reforming) non risolve il problema dell inquinamento ma, al più, lo spostano al sito di generazione dell idrogeno.

20 L elettrolizzatore: : idrogeno dalla corrente elettrica L idrogeno fornisce una soluzione al problema dell accumulo dell energia elettrica e, potenzialmente, al problema dell autotrazione. Ma solo un idrogeno pulito permette di usare celle a combustibile Idrogeno: ingresso 2.5 kw Uscita 250 l/ora

21 η=75% tra energia elettrica dal modulo e energia chimica nell idrogeno

22 L accumulo dell idrogeno: le spugne metalliche Per accumulare l idrogeno in maniera sicura una soluzione è offerta da spugne metalliche ove l idrogeno si chemisorbe a bassa pressione Una piccolo esempio della tecnologia Contiene 240 L (pressione standard) Una applicazione recente: contiene 3000 litri

23 η=30% tra energia chimica nell idrogeno e energia elettrica al motore. 5l a 200atm 1KWh

24 Il passaggio finale: dall idrogeno alla corrente elettrica La teoria della cella a combustibile Una cella a combustibile modulare

25 Concentratore solare La filiera dell idrogeno La cella a combustibile Pannello Specchio dicroico Elettrolizzatore Accumulatore di idrogeno Energia elettrica

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