Idrogeno-Energia del futuro dal motore di Barsanti e Matteucci alle nuove tecnologie

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1 Idrogeno-Energia del futuro dal motore di Barsanti e Matteucci alle nuove tecnologie percorsi e esperienze attraverso la rivisitazione di mestieri e professioni che sfidano le nuove tecnologie XXVIII Concorso Artigianato e Scuola 2008 Progetto realizzato dalle classi Terza Operatori Termici, Operatori Meccanici, Quarta Tecnici Elettronici dell'ipsia G.Giorgi di Lucca coordinato dai proff. Mariano Alberigi, Edualdo Gini, Roberto Cerri

2 Introduzione Il tema della trasformazione e dell innovazione subita dai mestieri artigiani non poteva non coinvolgere una scuola come la nostra che molto ha dato e dà al sistema produttivo locale e nella quale si sta formando una parte importante del futuro ceto artigiano. Quello che si presenta è un lavoro complessivo che assembla più manufatti prodotti da gruppi classe diversi che si sono esercitati sul tema l Idrogeno come energia del futuro e hanno svolto in corso d anno un percorso di analisi delle tematiche connesse alla produzione e all utilizzo di tale elemento, dal ben noto esperimento del motore di Barsanti e Matteucci sino alle moderne celle a combustibile. Il risultato finale è un tavolo sperimentale che espone i diversi lavori e permette di osservare: a) la produzione di idrogeno dall acqua per via elettrolitica attraverso l utilizzazione dell energia rinnovabile fornita da un pannello fotovoltaico, b) la produzione di energia elettrica attraverso l alimentazione con idrogeno e ossigeno di una cella a combustibile e c) la trasformazione di tale energia elettrica in energia meccanica attraverso un piccolo motore elettrico fornito di elica rotante. La produzione di gas e di energia elettrica è poi apprezzabile, momento per momento, su di un PC cui sono interfacciati appositi strumenti di misura. Nella costruzione di tali esperienze sono stati coinvolti tanto gli operatori meccanici (classe 3 OMA) che hanno progettato, disegnato e realizzato le diverse strutture effettuando la lavorazione alle macchine utensili di materiali come l acciaio inossidabile e il plexiglass, gli operatori termici (classe 3 O TA) che hanno studiato e realizzato le saldature e l impianto idraulico e gli operatori elettrici (classe 4 TNA) che hanno studiato, realizzato e documentato le parti connesse con la produzione e la trasformazione di energia elettrica. Prof. Lorenzo Isoppo 2

3 IL PROGETTO Costruzione di un tavolo sperimentale ad uso didattico per l'estrazione dell' Idrogeno dall'acqua, per via elettrolitica, con energia fotovoltaica foto 3

4 Nota degli autori: questo documento costituisce la trasposizione cartacea della presentazione multimediale su CD ROM. La presentazione multimediale consente di accedere a immagini, filmati e animazioni che arricchiscono la ricerca, rendendola più fruibile. Indice Ricerca Storica Padre Eugenio Barsanti pag. 5 Felice Matteucci pag. 6 L idrogeno e il motore a combustione di Barsanti e Matteucci pag. 7 Nuove tecnologie Evoluzione Tecnologica pag. 10 Estrazione dell idrogeno pag. 15 Energia solare pag. 20 Mestieri e professioni e nuove tecnologie pag. 24 Ricerche e prototipi pag. 29 Il nostro progetto pag. 34 Incontri e conferenze pag. 42 4

5 Padre Eugenio Barsanti Nacque a Pietrasanta (Lucca) il 12 Ottobre Compiuti i sei anni Niccolò varcò la soglia dell istituto delle Scuole Pie con sede nel convento di S. Agostino a Pietrasanta dove sia la direzione che l insegnamento erano tenuti dai padri Scolopi. Niccolò Barsanti frequentò l Istituto fino a 17 anni concludendo gli studi superiori con ottimi risultati in tutte le discipline, ma rivelando una particolarissima tendenza per le scienze esatte ed in particolare per la matematica e la fisica. Terminati gli studi superiori, il giovane Barsanti manifestò la volontà di diventare uno Scolopio. Nel Settembre del 1841 Padre Inghirami convocò Padre Eugenio Barsanti, non ancora sacerdote, nel suo studio e lo informò che avrebbe dovuto trasferirsi nel collegio S. Michele di Volterra per insegnare fisica e matematiche elementari. Era la primavera del 1843, il maestrino, come gli alunni lo chiamavano per la sua giovane età e per l esile statura, entrò in classe con in mano un barattolo con un lungo collo, strumento che si era personalmente costruito per l esperienza che doveva fare. Quello strumento riproduceva la pistola di Volta. Il maestrino spiegò agli allievi cosa intendeva fare, riempì il recipiente con idrogeno e aria, chiuse ermeticamente il collo con un tappo di sughero quindi agli estremi della sbarretta di ottone isolata e terminante con due sferette fece scoccare una scintilla elettrica e immediatamente uno scoppio fragoroso scaraventò il tappo contro la soffitta e fece rintronare l aula. Agli alunni spaventati spiegò cosa era avvenuto: la scintilla elettrica aveva incendiato il miscuglio di gas il quale aumentando di volume aveva prodotto lo scoppio lanciando in aria il tappo. Lo strumento realizzato da Barsanti è tuttora conservato a Volterra. Questo esperimento fece balenare nella mente di Barsanti l idea di utilizzare l esplosione di un miscuglio gassoso come generatore di una forza da utilizzare in una macchina a moto continuo che risultasse più pratica della macchina a vapore. In un documento conservato nell archivio Ximeniano troviamo scritto: Il Padre Eugenio Barsanti aveva ripetutamente osservato che l apparecchio subiva, al momento dell esplosione, un riscaldamento tanto maggiore quanto più fortemente era calcato il turacciolo e che questo riscaldamento giungeva al maximum allorché il turacciolo stesso veniva così fortemente calcato che l esplosione della mescolanza detonante non valeva a cacciarlo via. Da questa osservazione deduceva che la forza esplosiva dei miscugli composti di idrogeno e di aria non era così violenta come l avrebbe fatto supporre il rumore che si ode quando il turacciolo viene slanciato, e che si poteva regolarne gli effetti dinamici obbligandolo a trasformarsi in parte o anche totalmente in calorico. E evidente come nella mente di Barsanti fosse chiaro ed operante il concetto di equivalenza fra energia termica ed energia meccanica. Si tramanda che gli esperimenti al Collegio di Volterra continuarono fino a quando Padre Eugenio Barsanti vi rimase, tanto che per i frequenti scoppiettii, specie durante la notte, era corsa la voce che al collegio si creassero armi segrete. La vita di Barsanti si concluse il 19 aprile 1864 a Seraing in Belgio proprio nel momento in cui stava per raccogliere la gloria con l inizio della costruzione in serie del suo motore. Il Barsanti era giunto in Belgio nel marzo di quell anno ma proprio a Seraing aveva contratto una grave forma di febbre tifoide. Le sue spoglie giunte a Livorno il 24 maggio furono dapprima tumulate nella villetta della Rosa a Compiobbi, quindi nel 1910 furono trasportate nella cripta della Chiesa di S. Giovannino degli Scolopi a Firenze. Il 24 ottobre 1954 i resti mortali di p. Barsanti furono trasportati nella Basilica di S. Croce. 5

6 Felice Matteucci Nacque a Lucca 1l 12 Febbraio 1808 dall avvocato Luigi Matteucci, ministro di giustizia del Principe Felice Baciocchi, e dalla nobildonna Angiola Tomei-Albiani di Pietrasanta. Felice mostrò fin dall infanzia grande impegno distinguendosi negli studi, tanto che a undici anni componeva poesie molto apprezzate. Sappiamo che nell anno scolastico compariva tra gli iscritti del Real Liceo di Lucca (l antica Università lucchese). La sua inclinazione scientifica si rivelò in particolare durante il corso di studi presso il Real Collegio Borbonico di Parigi dove il padre, che vi risiedeva come Rappresentante del Granduca presso il re di Francia, lo aveva iscritto nel A Parigi iniziò i suoi studi in idraulica e meccanica per i quali mostrava particolari attitudini. Nel Dicembre del 1825 Felice Matteucci dovette rientrare in Italia con il padre a causa di una grave malattia del fratello Francesco e così completò a Firenze il corso ufficiale dei suoi studi in idraulica e in meccanica. Terminati gli studi, Felice continuò le sue ricerche scientifiche e insieme badava alla cura dei fondi agricoli: i Matteucci possedevano fondi rustici con due case di Campagna, cioè ville, a Vorno e a Colle di Compito. Fu senza dubbio durante il soggiorno nella sua villa di Colle di Compito, che, osservando giorno dopo giorno il movimento delle acque del lago di Sesto stilò a soli 27 anni il disegno per il prosciugamento della palude di Bientina. A questo progetto, che è senza alcun dubbio il suo più diligente e dotto studio di idraulica, Matteucci rimase fortemente attaccato per tutta la vita. Matteucci presentò il progetto al Governo Granducale a cui stava a cuore l opera di bonifica della palude di Bientina, ma la Commissione, di cui faceva parte Padre Eugenio Barsanti, preferì il progetto del Commendatore Alessandro Manetti, direttore dei lavori d acque e strade. Matteucci, che nel frattempo aveva stretto amicizia con Padre Eugenio Barsanti, abbandonò l idraulica e si dedicò alla meccanica, entrando in associazione con lui. Da questo momento la vita di Matteucci è legata a quella del motore a scoppio che, insieme a Barsanti, progetta, sviluppa, collauda. Insieme all amico ne condivide le vicissitudini, le speranze, le gioie, le delusioni. L associazione ben presto si trasformò in Società, dalla quale, alcuni anni più tardi, nel 1862, Matteucci rassegna le dimissioni, essendosi ammalato di un grave esaurimento nervoso. Due anni più tardi, nel 1864, muore l amico e, tranne alcuni episodi, che abbiamo riportato nel testo, si conclude anche l avventura di Matteucci sul motore a scoppio. La sua vita terrena si conclude invece alcuni anni dopo, il 13 settembre 1887, dopo una ricaduta nell esaurimento nervoso che nuovamente lo aveva colpito. Personaggio infelicissimo, di grande talento e di debole carattere, Matteucci è sepolto a Campi Bisenzio. Una lapide, posta nel 1932 sulla facciata di palazzo Matteucci a Lucca ricorda invece il suo luogo di nascita. 6

7 Il Motore di Barsanti e Matteucci Le prime idee di una macchina che utilizzando l esplosione di una miscela gassosa provocata da una scintilla elettrica potesse produrre una propulsione continua in modo più pratico della macchina a vapore, vennero nel 1843 al giovanissimo Padre Eugenio Barsanti, mentre effettuava con i suoi allievi esperienze sulla pistola di Volta. Appena ventenne, Padre Barsanti, nato a Pietrasanta il 12 ottobre 1821, già insegnava matematica, fisica e filosofia al Collegio di San Michele a Volterra. Furono anni di importanti esperimenti e di fondamentali osservazioni scientifiche che nel 1851, trasferitosi a Firenze, grazie alla collaborazione con l ingegnere e fisico lucchese Felice Matteucci, cominciò a mettere in pratica. La pistola di Volta utilizzata nei primi esperimenti di padre Barsanti Nel 1853 i risultati delle sperimentazioni eseguite con un apparato cilindrico all interno del quale scorrevano due stantuffi contrapposti furono accuratamente descritti dai due inventori e presentate in un plico chiuso all Accademia dei Georgofili di Firenze. Fu dunque realizzato un prototipo di motore completo e funzionante, gravio - atmosferico ad azione differita. Il combustibile impiegato era l idrogeno, di cui oggi si torna a parlare come risorsa per il futuro. Tale motore funzionò soltanto in via sperimentale. Il secondo motore fu costruito nel 1856: fu messo in funzione presso le officine della Ferrovia Maria Antonia a Firenze, trasmetteva un movimento sufficientemente regolare ad una forbice e ad un trapano. Si tratta del primo esempio di applicazione di un motore a scoppio per l azionamento di macchine utensili. Questo motore, a due cilindri interdipendenti, era stato costruito conformemente alla descrizione del primo brevetto inglese del 13 maggio Brevetto inglese n 1072 del 1854 riguardante il moto re Barsanti e Matteucci 7

8 Nel 1858 fu costruito dalla fonderia Calegari di Livorno un motore della potenza di 20 cavalli. La macchina era ad un solo cilindro dotato però di due stantuffi principali contrapposti. Fu costruito per essere impiegato nella motonavigazione, ma a causa dell insoddisfazione dei due inventori non fu mai usato. Motore Barsanti e Matteucci a stantuffi contrapposti del 1858 Sempre nel 1858 fu costruito un nuovo motore, dalla ditta Pietro Benini, bicilindrico, a stantuffi concorrenti. Tale realizzazione piacque molto e Barsanti e Matteucci che decisero di costituire una società per lo sfruttamento su larga scala dell invenzione: si chiamò Società Anonima del Nuovo Motore Barsanti e Matteucci. Nel 1861 fu costruito un terzo motore a stantuffi contrapposti della potenza di 12 cavalli, la cui realizzazione fu affidata all officina Wyss & Co. di Zurigo. Esposto alla prima Esposizione Italiana tenutasi a Firenze in quello stesso anno, ottenne un grande successo. Questo motore annovera Barsanti e Matteucci come i primi realizzatori di motori a stantuffi contrapposti ad azione diretta: la soluzione sarà poi ripresa e migliorata da altri. L ultimo motore ad un solo cilindro verticale, ad azione differita e della potenza di 4 cavalli, risale invece al 1863: fu costruito dalle officine Bauer & Co. di Milano. Realizzava la descrizione del brevetto francese del 9 gennaio Il successo ottenuto da questo motore e le numerose richieste giunte da industriali italiani e stranieri indussero gli inventori, in accordo con la Società, ad iniziarne una diffusione su vasta scala. Motore Barsanti e Matteucci del 1863 Proprio quando alle Officine Cockerill, a Seraing, in Belgio, Padre Barsanti stava avviando la produzione in serie, colpito da un attacco di tifo il 19 aprile 1864 morì. 8

9 Ebbe così termine il suo progetto, non l evoluzione del suo motore che nei successivi trent anni conobbe modifiche, talvolta regressi, varianti, ritocchi, fino ad un applicazione diffusa e di massa con i mezzi più disparati. Ampio fu l utilizzo del motore per il funzionamento dei macchinari nelle officine e nei laboratori o per la locomozione dei natanti. Agli inizi del 1900 nacquero le prime industrie automobilistiche: nel 1899 venne fondata la FIAT, nel 1900 la Mercedes-Benz, nel 1906 la Lancia e l Alfa. Negli Stati Uniti dal 1908 venne prodotto da Henry Ford il famoso modello T applicando per la prima volta la catena di montaggio. Nello stesso periodo il motore a scoppio consentì all aviatore tedesco Ferdinand von Zeppelin la realizzazione del primo grande dirigibile a struttura rigida. Dai suoi importanti studi di aerostatica il passo dal dirigibile all aeroplano fu breve. Probabilmente una non adeguata protezione dei brevetti fece sì che la paternità del motore a scoppio sia stata spesso assegnata ad altri inventori. Studi approfonditi hanno definitivamente dimostrato la priorità di Barsanti e Matteucci nei confronti di Lenoir, Otto e Langen. Il motore del meccanico francese Lenoir fu brevettato il 24 gennaio 1860, il motore dei tedeschi Otto e Langen, fece la sua trionfale apparizione all Esposizione Universale di Parigi del 1867, ottenendo la medaglia d oro. Si trattava di una copia piuttosto fedele del motore dei due italiani, ne sfruttava i principi base del funzionamento e ne riproduceva gli accorgimenti tecnici. Con gli apporti di Daimler nel 1883 e di Diesel nel 1892, il motore era ormai lanciato alla conquista della società moderna. Motore Barsanti e Matteucci a doppio cilindro del

10 Evoluzione tecnologica : idrogeno- lavori in corso Uso dell' idrogeno come combustibile problemi di immagazzinamento e gestione Attualmente le tecnologie di immagazzinamento e trasporto sono molto più sviluppate rispetto a quelle di produzione. Alcune di esse, come gli idruri chimici e le microsfere di cristallo, sono già sfruttate commercialmente, altre presentano notevoli vantaggi riguardo la sicurezza e la salvaguardia dell ambiente. Gli svantaggi, però, sono legati alle diverse tecnologie di produzione e alle applicazioni pratiche dell idrogeno. Infatti, nonostante l enorme versatilità delle caratteristiche fisiche e chimiche dell idrogeno, è spesso molto difficile abbinare agli impianti di produzione delle idonee tecniche di immagazzinamento, così come non sempre i metodi di trasporto soddisfano le necessità degli utilizzatori finali. Nei successivi paragrafi sarà effettuata l'analisi delle diverse tecnologie d'immagazzinamento e trasporto dell'idrogeno alla luce dei problemi connessi. Le tecnologie di immagazzinamento sono: Idrogeno compresso. Idrogeno liquefatto. Idruri di metallo. Idruri chimici. Sistemi basati sul carbonio. Microsfere di cristallo. Altri metodi. Idrogeno come gas compresso L immagazzinamento dell idrogeno sotto forma di gas compresso o liquefatto e, quando necessario per stabilizzare il livello di pressione, tramite idruri di metallo richiede l utilizzo di compressori. L'idrogeno può essere immagazzinato, come gas compresso, all'aperto, sotto terra e a bordo di veicoli. Questa tecnologia d immagazzinamento è la più semplice in quanto le uniche attrezzature necessarie sono un compressore ed un contenitore pressurizzato. L'idrogeno viene compresso a circa 20,7 MPa ed immagazzinato in cilindri per il gas, a pressione standard, o in contenitori sferici per quantità superiori a Nm 3. In generale, l'immagazzinamento sotto forma di gas compresso, in tubi ad alta pressione, è generalmente limitato a sistemi inferiori ai Nm 3 o ancora minori, a causa del loro costo elevato. I costi stimati di questa tecnologia, nel caso di immagazzinamento all'aperto, sono molto elevati per l'immagazzinamento giornaliero con l'utilizzo di tubi pressurizzati rispetto al caso dell'utilizzo di contenitori; essi inoltre dipendono fortemente dal tasso di rotazione delle scorte. 10

11 Idrogeno liquefatto I processi di liquefazione usano una combinazione di compressori, scambiatori di calore, motori di espansione e valvole a farfalla per ottenere il raffreddamento desiderato. Il processo di liquefazione più semplice è il ciclo Linde o ciclo di espansione Joule Thompson. Tramite questo processo, il gas è compresso a pressione ambiente e quindi raffreddato in uno scambiatore di calore prima di passare attraverso una valvola in cui è sottoposto al processo di espansione Joule Thompson producendo del liquido. Una volta rimosso il liquido il gas ritorna al compressore tramite lo scambiatore di calore. Il processo Linde opera con gas, come l azoto, che si raffreddano per espansione a temperatura ambiente. L idrogeno al contrario, in questa fase si riscalda e per evitare ciò la sua temperatura deve essere inferiore alla sua temperatura d inversione di 202 K. Per raggiungere tale temperatura alcuni processi raffreddano l idrogeno con dell azoto liquido pre-raffreddato che prima del passaggio nella valvola d espansione, consente la riduzione della temperatura dell idrogeno a 78 K. L azoto viene quindi recuperato e riciclato nel ciclo continuo di refrigerazione. L'idrogeno può essere liquefatto per la produzione stazionaria di energia sia per il rifornimento di veicoli. Successivamente, nella maggior parte dei casi, viene immagazzinato ad una temperatura di -253 C. L'unico inconveniente di qu esto sistema è l'eventuale fuoriuscita di parte dell'idrogeno liquido ed il notevole dispendio energetico dell intero processo. Infatti circa il 30% dell energia dell idrogeno è necessaria per il suo raffreddamento Inoltre sono necessarie particolari attrezzature per il mantenimento dello stato liquido Una delle preoccupazioni maggiori legate a questo processo quindi, è quella della riduzione delle fuoriuscite di liquido. Dato che l idrogeno è immagazzinato ad una temperatura che corrisponde al suo punto di ebollizione, qualsiasi passaggio di calore attraverso il liquido causa l evaporazione di una parte dell idrogeno e qualsiasi evaporazione si riflette in una perdita dell efficienza del sistema. La maggior parte dei contenitori di idrogeno liquido hanno forma sferica perché quest ultima ha la più bassa superficie per il trasferimento di calore per unità di volume. Inoltre, al crescere del diametro dei contenitori il volume aumenta più velocemente della superficie esterna per cui contenitori più grandi, in proporzione, provocano minori perdite per trasferimento di calore. I contenitori cilindrici, invece, sono preferibili per la loro facilità ed economicità di costruzione. 11

12 Idruri di metallo Semplificazione della reazione d idrogenazione del metallo idruri metallici Gli idruri di metallo sono dei composti che trattengono idrogeno nello spazio interatomico di un metallo (fig. 3.1). La loro origine risale all anno 1866 quando Graham notò l assorbimento di consistenti quantità di idrogeno da parte del palladio ma fino agli anni 1960 furono poche le applicazioni degli idruri di metallo. Il motivo di questo disinteresse era dovuto al fatto che gli idruri conosciuti erano di tipo "binario" cioè composti solo da un metallo e dall idrogeno e anche quando furono sperimentati i primi idruri di tipo "ternario" fu inizialmente quasi impossibile controllare le loro proprietà meccaniche e termodinamiche. Questi problemi rimasero irrisolti fino a quando, in seguito ai lavori pionieristici di S.R. Ovshinsky, si crearono i primi idruri a base di leghe di metalli le cui diverse proprietà furono adeguatamente impiegate e le applicazioni pratiche degli idruri rese così possibili. Gli idruri si formano ed agiscono attraverso due fasi: l assorbimento ed il rilascio dell idrogeno. L'assorbimento dell'idrogeno nello spazio interatomico (idrogenazione) è un processo esotermico che richiede raffreddamento mentre la sottrazione di idrogeno (deidrogenazione) è un processo endotermico che richiede calore. Quando la pressione dell idrogeno viene inizialmente aumentata l idrogeno si dissolve nel metallo e quindi comincia a legarsi con esso. In questa fase la pressione operativa rimane costante fino al raggiungimento del 90% della capacità di immagazzinaggio. Al di sopra di questo limite è necessario operare con pressioni elevate per raggiungere il 100% della capacità. La dispersione di calore durante la formazione dell idruro devono essere continuamente rimosse per evitare che l idruro si infiammi. Se l idrogeno viene estratto da un altro gas, una parte di esso può essere liberata in modo che porti via gli elementi estranei che non si legano al metallo. Con la deidrogenazione invece, si spezza il legame formatosi tra il metallo e l idrogeno e la pressione operativa aumenta all aumentare della temperatura. Inizialmente si opera a pressione elevata e viene rilasciato idrogeno puro quindi in seguito alla rottura del legame con il metallo la pressione si stabilizza fino a ridursi drasticamente quando nell idruro residua circa il 10% dell idrogeno. Quest ultima parte di gas è molto difficile da rimuovere essendo quella più saldamente legata al metallo e quindi spesso non può essere recuperata nel normale ciclo di carico e scarico (Amos, 1998). Il contenitore dell idruro deve essere pressurizzato e contenere una area sufficientemente grande per lo scambio del calore al fine di garantire la rapidità delle fasi di carico e scarico dell idruro per le quali è richiesta, inoltre, stabilità termica e strutturale della lega impiegata. Gli svantaggi sono, però, la pesantezza dei sistemi, la bassa densità gravimetrica dell'idrogeno (1%-7%) ed i costi generalmente elevati che non consentono ancora la realizzazione di sistemi di immagazzinaggio ad idruri di metallo funzionanti commercialmente su larga scala. 12

13 PILE A COMBUSTIBILE (Fuel Cell) La pila a combustibile e' un generatore elettrochimico in cui, in linea di principio, entrano un combustibile (tipicamente idrogeno) e un ossidante (ossigeno o aria) e da cui si ricavano corrente elettrica continua, acqua e calore. Il combustibile (idrogeno) e i gas ossidanti (ossigeno dato semplicemente dall'aria) lambiscono rispettivamente l'anodo e il catodo (sulle facce opposte a quelle in contatto con l'elettrolito). Data la porosità degli elettrodi, vengono in questo modo continuamente alimentate le reazioni di ossidazione del combustibile e di riduzione dei gas ossidanti. Come combustibile possono essere usati oltre all' idrogeno anche il metano e il metanolo ; da questi naturalmente l'idrogeno deve essere estratto con un particolare procedimento. Le pile a combustione possono essere pensate come uno strumento che fa l'inverso dei più conosciuti esperimenti dove passando una corrente elettrica attraverso l'acqua si divide in idrogeno e ossigeno. Un aspetto di importanza fondamentale per le applicazioni delle pile a combustibile, e' rappresentato dal fatto che gli effluenti (acqua e gas esausti), che vanno continuamente rimossi dalla cella, non contengono sostanze inquinanti. La cella ha struttura piatta a tre strati, di cui quello centrale, compreso fra il catodo e l'anodo, costituisce o contiene l'elettrolito. Alcuni tipi di celle funzionano in orizzontale altre in verticale. 13

14 Sono simili alle batterie e quindi, come gli altri elementi voltaici, una pila a combustibile e' formata essenzialmente da due elettrodi, catodo ed anodo, e da un elettrolito che permette la migrazione degli ioni. Diversamente che dalle batterie comuni, nella pila a combustibile, la materia attiva viene continuamente rinnovata e quindi la corrente elettrica continua può essere erogata indefinitamente se si mantiene l'alimentazione di combustibile e di gas ossidanti. In pratica, le superfici affacciate devono avere un'area sufficiente per ottenere intensità di corrente adeguate alle esigenze applicative. Si può così arrivare, in funzione dell'applicazione e della filiera di celle, a superfici dell'ordine del metro quadrato. Le singole celle (caratterizzate da tensioni comprese da mezzo volt a un volt, secondo la tecnologia adottata e il carico elettrico ad essa collegato) vengono sovrapposte una all'altra, collegandole in serie in modo da ricavare una tensione complessiva del valore desiderato. L'impilamento di celle che così si ottiene, forma il cosiddetto stack (o "pila"), che rappresenta la base della sezione elettrochimica. Generalmente un impianto a celle a combustibile e' composto, oltre che dal modulo di potenza (contenente la sezione elettrochimica) anche da un convertitore di corrente (inverter) e di un trasformatore che convertono la corrente continua generata dalla pila in corrente alternata alla tensione e alla frequenza desiderate. Attualmente esistono sei diversi tipi di pile a combustibile, concettualmente diverse ma simili: Pile a combustibile con membrana di scambio protonico: PEM ( Proton Membrane Exchange). Pile a combustibile alcaline : AFC (Alkali Fuel Cell) Pile ad acido fosforico: PAFC (Phosphoric Acid Fuel Cell) Pile ad ossidi solidi: SOFC (Solid Oxide Fuel Cell) Pile a carbonati fusi: MCFC (Molten Carbonate Fuel Cell) Pile a metanolo diretto: DMFC ( Direct Methanol Fuel Cell) 14

15 Estrazione dell idrogeno Cos è l idrogeno? L elemento chimico più leggero esistente in natura (contiene un protone e un elettrone). Simbolo: H. A temperature normali è un gas, leggero, incolore, inodore, non tossico (ma altamente combustibile). Nel gas, l idrogeno si trova come H2 (due atomi legati fra loro).il gas H2 pesa 8 volte meno del metano e 16 volte meno dell ossigeno. L idrogeno (come gli altri combustibili) contiene molta energia chimica nel suo legame. Si può estrarre questa energia facendo reagire il combustibile con l ossigeno. Un chilogrammo di H2 che brucia così produce fino a 142 milioni di Joule: l energia necessaria per far bollire circa 475 kg di acqua, oppure per muovere un automobile per circa 100 km. La stessa reazione per il metano: Un chilogrammo di CH4 che brucia così produce fino a 56 milioni di Joule. Ecco l energia (espressa in MJ) liberata dalla combustione di 1 kg di diversi carburanti: l idrogeno è di gran lunga il più energetico a parità di peso. legno carbone petrolio kerosene etanolo metanolo metano gas naturale benzina idrogeno Il problema è che l idrogeno è così leggero (cioè ha una densità così bassa) che occupa molto spazio: 1 kg di H2 occupa 56 litri, mentre 1 kg di benzina occupa circa 1 litro. Un problema è che l idrogeno gassoso (H2) non si trova sulla terra: è troppo leggero e sfugge alla nostra forza di gravità. Prima di usarlo, bisogna quindi produrlo, e si pone il problema della sorgente energetica. L idrogeno non è una fonte energetica, è solo un trasportatore di energia: l energia (proveniente da qualche altra fonte) viene spesa per produrre H2 in qualche posto, poi l H2 viene trasportato dove serve e bruciato nelle pile a combustibile per riottenere l energia che avevamo immagazzinato. Quindi è un combustibile pulito solo se il processo in cui è prodotto è a sua volta pulito: altrimenti l inquinamento viene solo trasferito dal luogo di utilizzo al luogo di produzione. 15

16 Ci sono due procedimenti principali per produrre idrogeno gassoso. Elettrolisi dell acqua. Reforming del metano (o del carbone, o di altri idrocarburi). Elettrolisi : H 2 O 2 Il passaggio di corrente elettrica attraverso l acqua produce idrogeno gassoso e ossigeno (è il processo inverso a quello che avviene nelle pile a combustibile). H 2 O H2O H2 (energia chimica) Energia elettrica ½ O2 (corrente continua) 16

17 1.358 m³ H 2 (Idrogeno) 1 litro H 2 O kwh el Energia elettrica m³ O 2 (Ossigeno) Rendimento elettrolisi Consumi e prodotti finali Consumo di elettricità [kwh el el ] PRODOTTI FINALI H 2 O 2 Processo ideale rendimento η = 100% [m 3 ] 39, [m3] (= 1 [kg]) Processo reale rendimento η = 70% [m 3 ] 56, [m3] (= 1 [kg]) 17

18 Petrolio 4.83 kg 56.3 kwh reforming Gas naturale 5.37m kwh reforming Forza idrica Energia eolica 1 kg di H kwh potere calorifico superiore elettricità elettrolisi 56.3 kwh el Energia fotovoltaica Biomassa kg 56.3 kwh reforming Carbone 6.92 kg 56.3 kwh reforming Energia nucleare Energia geotermica Contenuto per unità di volume Contenuto per unità di massa [kj/m 3 ] [kwh/m 3 ] [kj/kg] [kwh/kg] Potere calorifico inferiore _ 33.3 Potere calorifico superiore , ,41 Condizioni standard: T = K, p = bar 18

19 1 l di H 2 O kwh el (η = 70%) 1,358 m 3 H 2 + (η = 50%) elettrolisi 0,679 m 3 O 2 cella a combustibile 2.2 kwh el + calore residuo 19

20 L energia solare Il sole ha una temperatura in superficie di gradi centigradi e di 16 milioni di gradi centigradi al suo interno.da cinque miliardi di anni l'irraggiamento solare determina l'equilibrio dell'ecosistema della terra: fa crescere le piante attraverso la fotosintesi ovvero la trasformazione in energia chimica determina il ciclo dell'acqua che ci fornisce l'energia idraulica crea le correnti marine ed atmosferiche fornisce luce e calore: dalla luce attraverso celle fotovoltaiche ricaviamo energia elettrica dal calore attraverso collettori solari ricaviamo energia termica. La potenza del sole sulla superficie terrestre è di circa watt al metro quadro. L'energia massima fornita in un giorno è circa 5 chilowatt/ora. Essa dipende fortemente dalla latitudine del sito, dalla stagione, dall'ora del giorno e dalla trasparenza dell'atmosfera. Conversione fotovoltaica Alcune sostanze particolari e opportunamente trattate (semiconduttori) generano corrente elettrica per effetto fotovoltaico quando sono esposte alla luce solare. I sistemi fotovoltaici non possiedono parti in movimento, non necessitano di manutenzione e non fanno uso di acqua: possono pertanto essere installati in luoghi aridi o isolati. Inoltre gli impianti fotovoltaici possono essere realizzati in taglie estremamente variabili e quindi adattabili alle varie esigenze. Il rendimento delle celle fotovoltaiche è ca del 10%, ma celle sperimentali ad arseniuro di gallioantimoniuro di gallio sono in grado di raggiungere un'efficienza superiore al 30%. Il costo di produzione dell'energia elettrica con questo metodo è circa cinque volte quello di produzione con metodi convenzionali, ma si sta progressivamente abbassando con il raffinarsi della tecnologia. 20