BATTERIA AD IDROGENO. Reba S.r.l. Via Pillea Genova GE Tel Fax

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1 BATTERIA AD IDROGENO Reba S.r.l. Via Pillea Genova GE Tel Fax Divisione Fuel Cells Ing. Andrea Balli Cell

2 L AZIENDA REBA S.R.L. Dal 1963 nel campo dell energia in corrente continua Nata nel 1963 come filiale della multinazionale VARTA, recentemente inserita nel colosso americano ENERSYS - HAWKER, la Reba S.r.l. si connota come Agenzia nel 1972 e da oltre trenta anni opera nel settore degli accumulatori industriali. Reba, Ricambi Elettrici Batterie Avviamento, permane e si espande in Liguria e basso Piemonte, raggiungendo una leadership indiscussa per qualità di prodotto, servizi offerti e capillarità strutturale. La sede legale e operativa, sita a Genova in Via Pillea 17, si estende per 700 metri quadri coperti ed ha a disposizione tre furgoni attrezzati per l assistenza. La Reba, mandataria e concessionaria di accumulatori industriali e raddrizzatori, si rivolge ai trasporti interni delle aziende ed agli impianti di sicurezza. Negli ultimi anni gli obiettivi principali sono concentrati sul service, consegnando all utilizzatore finale un pacchetto chiavi in mano; questo significa dare risposte pronte e competenti ad una clientela sempre più esigente, passando dalla diagnostica alla soluzione del problema, dall installazione alla manutenzione post-vendita. E questa offerta full service, che ci contraddistingue e ci rende assolutamente competitivi sul mercato. La dinamica struttura societaria della Reba, avvalendosi dei prodotti altamente innovativi HAWKER - VARTA, segue e talora precede le notevoli trasformazioni nella movimentazione interna degli stabilimenti, nella gestione della logistica e, con le batterie stazionarie, soddisfa le varie esigenze legate agli impianti di sicurezza e allarme. Il nostro obiettivo a lungo termine, è quello di acquisire le competenze necessarie per diventare leader, nei campi delle celle a combustibile e delle energie rinnovabili. Pag: 2

3 IDROGENO L elemento più leggero e diffuso in natura diventerà il combustibile del futuro Cos è In chimica l idrogeno (H) è il più piccolo e leggero elemento della tavola periodica ed è costituito da un elettrone (carica negativa) che orbita attorno al nucleo composto da un protone (carica positiva). Malgrado sia l elemento più comune nell universo, a causa della sua elevata reattività, si trova quasi sempre legato ad altre sostanze, come ad esempio l acqua, il gas naturale e ad altri idrocarburi. L idrogeno è considerato il combustibile del futuro: le sue particolari caratteristiche ne fanno una fonte d energia ideale. E compatibile con l ambiente in quanto il suo utilizzo non produce emissioni inquinanti ed ha il più alto contenuto energetico per unità di massa fra tutti i combustibili. A temperatura ambiente è un gas incolore, inodore e praticamente insolubile in acqua. Esso non può essere definito una fonte energetica in quanto la sua produzione deriva dall elaborazione di altri prodotti; per questo motivo viene più correttamente classificato come vettore energetico (come la benzina, il gasolio ed il gpl). L ambito emergente di utilizzo dell idrogeno è il settore delle fuel cells, nel quale viene impiegato per produrre energia elettrica con alti rendimenti e nessun inquinamento. Come si produce A livello industriale l idrogeno è un gas di grande importanza, usato come materia prima in un gran numero di operazioni chimiche, esso viene ricavato principalmente dagli idrocarburi, mediante reforming o altri processi di conversione chimica, sia dal carbone mediante gassificazione. Pag: 3

4 L idrogeno può essere ottenuto anche dall acqua tramite elettrolisi o da fonti rinnovabili come le biomasse ed i rifiuti organici, anche se con costi ancora molto alti. La produzione d idrogeno tramite elettrolisi dell acqua utilizzando energia elettrica prodotta da fonti rinnovabili (eolico, fotovoltaico, idroelettrico) è una soluzione totalmente priva di emissioni ed è oggetto di studi da parte di molti enti. Come si gestisce L idrogeno viene immagazzinato in tre modi: Allo stato gassoso in bombole ad alta pressione ( bar) Allo stato liquido in bombole refrigerate (criogenia) Attraverso gli idruri metallici L immagazzinamento allo stato liquido è un processo molto costoso e complesso, per i nostri scopi utilizzeremo idrogeno gassoso immagazzinato in bombole alla pressione di 350 bar, in futuro, quando la tecnologia sarà sufficientemente matura, prenderemo in considerazione gli idruri metallici. Gli idruri metallici sono leghe di magnesio, alluminio, ferro o lantanio con all interno dei composti (di nichel, vanadio, titanio, cromo, terre rare) in grado di assorbire idrogeno nello spazio interatomico. Il processo di CARICA-RILASCIO è reversibile e si ottiene variando la pressione e fornendo o asportando calore al sistema. Inoltre, usando leghe con differenti composizioni, è possibile ottenere sistemi in grado di rilasciare l idrogeno a differenti pressioni. Questa reazione permette di stoccare l idrogeno allo stato solido all interno di contenitori in cui è posto l idruro metallico in polvere. La necessità di polverizzare l idruro si impone per massimizzare la superficie di adsorbimento. Tramite questa tecnologia l idrogeno è immagazzinato in modo sicuro, occupando volumi decisamente minori rispetto allo stoccaggio tradizionale in bombole ad alta pressione. Confronto con altri vettori energetici L idrogeno, rispetto agli altri vettori energetici, si diffonde e disperde più velocemente perché è molto più leggero dell aria. Nel caso di una perdita l idrogeno è meno soggetto al pericolo d incendio rispetto alla benzina o al gas naturale perché si diffonde velocemente diluendosi e diventando poco pericoloso. Se viene raggiunta una concentrazione sufficiente, l idrogeno tende a bruciare con una fiamma piuttosto che esplodere. Come dimostrato da un esperimento eseguito in Canada (Vedi immagine) quando l idrogeno prende fuoco, la fiamma ha un basso livello di calore radiante e quindi non surriscalda le zone vicine. L idrogeno è un combustibile non tossico e non inquinante e questo è un notevole vantaggio rispetto ai combustibili fossili tradizionali. Tuttavia l idrogeno presenta anche degli svantaggi: Diluito in aria ha una grande infiammabilità, può prendere fuoco e bruciare in concentrazioni comprese tra il 4% e il 75%. E incolore, inodore, e la fiamma non è visibile alla luce del giorno, questi sono fattori di rischio per la salute e sicurezza se non sono presenti adeguati sistemi di controllo e segnalazione. In ogni modo, considerando tutte queste proprietà, gli esperti sostengono che l idrogeno è più sicuro rispetto ai combustibili che stiamo utilizzando. Pag: 4

5 Standard FC-module for all a 3 modules CELLE A COMBUSTIBILE (FUEL CELLS) Generatori di energia potenti e puliti Cos è 1 module Le celle a combustibile sono dei sistemi elettrochimici capaci di convertire l energia chimica di un combustibile (in genere idrogeno) direttamente in energia elettrica, senza l intervento intermedio di un ciclo termico, e pertanto presentano rendimenti di conversione più elevati rispetto a quelli delle macchine termiche convenzionali. Il loro rendimento totale si attesta attorno al 50%, ciò significa che l energia elettrica prodotta rapportata al combustibile utilizzato, costa meno della metà dell energia prodotta con sistemi tradizionali. Una singola cella produce normalmente circa 0,7 V, quindi per ottenere la potenza e il voltaggio 20 modules desiderato più celle sono disposte in serie, a mezzo di piatti bipolari, a formare il cosiddetto stack. Gli stack a loro volta sono assemblati in moduli, per ottenere generatori della potenza richiesta. Genset consiste nella assenza L aspetto che conferisce ancora più importanza strategica alle celle a combustibile, totale di emissioni inquinanti in atmosfera, infatti la cella a combustibile converte(apu, per via elettrochimica (senza UPS) combustione) l idrogeno e l ossigeno dell aria direttamente in corrente elettrica, generando come sottoprodotto del processo acqua calda e calore. Esistono diverse tecnologie di cella, con diverse caratteristiche e grado di sviluppo. Normalmente le celle sono classificate sulla base dell elettrolita utilizzato (celle alcaline, a elettrolita polimerico, ad acido fosforico, a carbonati fusi, a ossidi solidi) o alla temperatura di funzionamento (celle a bassa e alta temperatura). Le celle ad elettrolita polimerico (PEM, Polymer Electrolyte Membrane), usano come elettrolita una membrana polimerica a elevata conducibilità protonica e funzionano a temperature comprese tra 70 e 100 C; Pag: 5

6 sono sviluppate soprattutto per la trazione elettrica e la generazione/cogenerazione di piccola taglia (1-250Kw). Si stanno affermando come tipologia di punta sia dal punto di vista produttivo che commerciale. Come funziona Una cella a combustibile funziona in modo analogo ad una batteria, in quanto produce energia elettrica attraverso un processo elettrochimico, a differenza di quest ultima, tuttavia, consuma sostanze provenienti dall esterno ed è quindi in grado di funzionare senza interruzioni, finché al sistema viene fornito combustibile (idrogeno) e ossidante (ossigeno e aria). Caratteristiche Schema di funzionamento di una cella a combustibile. Le celle a combustibile, in versione trazione o stazionaria, presentano numerosi vantaggi nei confronti dei sistemi tradizionali: un rendimento elettrico superiore a quello degli impianti convenzionali con valori che vanno dal 40 al 60%; la modularità che permette di accrescere la potenza installata via via che cresce la domanda di energia elettrica, con notevoli risparmi sul piano economico e con tempi di costruzione che possono risultare notevolmente ridotti; un efficienza indipendente dal carico e dalle dimensioni dell impianto (il rendimento delle celle è poco sensibile alle variazioni del carico elettrico, diversamente da quanto avviene con gli impianti convenzionali); un ridottissimo impatto ambientale sia dal punto di vista delle emissioni gassose sia di quelle acustiche, il che consente di collocare gli impianti anche in aree residenziali; la possibilità di cogenerazione, il calore generato può essere disponibile a diversa temperatura, in forma di vapore o acqua calda, e impiegato per usi sanitari, condizionamento di ambienti, etc. Pag: 6

7 La batteria di nuova concezione Cos è BATTERIA AD IDROGENO La nostra idea è quella di sostituire le attuali batterie al piombo-acido presenti sui carrelli elevatori con le batterie ad idrogeno. La scelta dei carrelli elevatori come base di partenza per la sperimentazione è data dal fatto che sono veicoli elettrici già pronti per accogliere questa tecnologia, basta infatti sostituire la batteria tradizionale con la nostra Batteria ad idrogeno ed il carrello è pronto a lavorare come prima. Le dimensioni del cassone che contiene la batteria tradizionale sono abbastanza ampie per contenere le bombole d idrogeno, una cella a combustibile e gli altri particolari, impiantistici ed elettronici, necessari per il corretto funzionamento del sistema; all esterno del cassone sono presenti solamente il connettore elettrico ed il bocchettone per il rifornimento di idrogeno. Quando la scorta d idrogeno a bordo finisce, le bombole, che diventano a tutti gli effetti il serbatoio di carburante del carrello elettrico, possono essere agevolmente riempite sul posto in pochi minuti, garantendo una continuità di funzionamento non possibile con gli attuali accumulatori elettrici. Per il riempimento delle bombole vuote sarà studiato ed installato presso il cliente un distributore di idrogeno. L attuale prototipo ha una potenza massima di V, è comunque possibile costruire cassoni contenitivi di varie dimensioni e di progettare sistemi per carrelli di potenza diversa. Pag: 7

8 Confronto tra la batteria tradizionale e la batteria ad idrogeno La sostituzione della tradizionale batteria al piombo-acido con il nostro sistema ha molti vantaggi, ad esempio: Ricarica rapida (nell ordine di qualche minuto), il carrello elettrico può effettuare più turni senza lunghe soste di ricarica (10-14 ore) o senza sostituzione tra un turno e l altro di batterie a rotazione. Bassa manutenzione. Non necessita il rabbocco dell acqua distillata come sulle batterie, questa operazione, se trascurata o fatta male, è una delle cause principali del deterioramento della batteria al piombo-acido. Autonomia maggiore (in funzione del serbatoio d idrogeno applicato). Durata maggiore: ore contro le delle batterie tradizionali. Possibilità di rigenerazione sostituendo le membrane della cella (ad una frazione del costo totale della batteria) Rendimento globale maggiore rispetto alle batterie tradizionali che é dell ordine dello 0,8. Costo potenziale minore (quando le celle a combustibile saranno prodotte in serie). Nessuna emissione di gas di scarico dannosi (viene prodotta acqua sotto forma di vapore). Eliminazione del costo derivante dalla necessità di smaltimento, a norma di legge, delle batterie al piombo acido e del relativo impatto ambientale. Possibilità di sostituire i carrelli elevatori termici (motore a combustione interna) con quelli elettrici, più facili da manovrare. Suddivisione del costo della stazione di rifornimento su tutto il parco carrelli. Minimi requisiti di sicurezza richiesti. Possibilità di costruire il carrello con celle a combustibile integrate in modo da ottimizzare design e prestazioni. Tuttavia sono presenti alcuni punti di debolezza: Peso minore (potrebbe essere necessario zavorrare il carrello per mantenere la stabilità necessaria). Difficoltà d accensione alle basse temperature. Prezzo elevato. Tecnologia allo stato pre-produttivo. Pag: 8

9 Idrogeno come vettore energetico PROSPETTIVE FUTURE L idrogeno gode oggi di un crescente supporto e popolarità, negli Stati Uniti, in Europa e in Giappone soprattutto per gli autoveicoli a celle a combustibile, mossi direttamente dall idrogeno. L introduzione su vasta scala di un mezzo così innovativo di trasporto è un avventura difficile e perigliosa, in quanto richiede simultaneamente sia lo sviluppo di un nuovo sistema di distribuzione sia di nuovi veicoli. L idrogeno, così come l elettricità, è solamente un portatore di energia: non disponibile in natura in quantità adeguate, deve essere prodotto a partire da altre fonti energetiche primarie. Esso è oggi estratto e utilizzato dall industria chimica e petrolifera su larga scala (30 milioni di tonnellate all anno nei Paesi industrializzati dell area Ocse, sufficienti per alimentare ben 80 milioni di vetture), a partire dal gas naturale e a basso costo: alla produzione, esso costa meno della benzina, a parità di valori energetici. Nei Paesi Ocse la sua produzione assorbe oggi il 2% di tutta l energia primaria, confrontato ad esempio col 7% del nucleare. L attuale entusiasmo per l idrogeno è dato da tre vantaggi che gli conferiscono un grande valore politico : 1) la sua combustione non produce emissioni, in quanto il prodotto finale è semplicemente acqua; 2) non produce anidride carbonica (CO2), almeno quando lo si utilizza; 3) può essere prodotto da svariate fonti energetiche e quindi riduce la dipendenza energetica estera, soprattutto dal petrolio. Un altra grande motivazione è da identificarsi con il problema del cambiamento climatico. Nel futuro le emissioni globali di CO2 dovranno declinare fortemente - ben più di quanto richiesto dal protocollo di Kyoto - al fine di stabilizzare il cambiamento climatico. A tale fine sono necessarie tecnologie radicalmente innovative. Quindi l idrogeno va considerato principalmente come una valida soluzione a lungo termine per l eliminazione dell anidride carbonica. Ad esempio, un automobile in media emette ogni anno una quantità di CO2 pari a ben quattro volte il suo peso. Analisi correnti mostrano come una riduzione delle emissioni globali di CO2 del 30% (quanto dovuto all intero settore dei trasporti), a partire dal 2040, porterebbero ancora la CO2 ad un livello pari a ben due volte la concentrazione pre-industriale, con un aumento del 300% degli effetti climatici da noi oggi sofferti. Quindi, l introduzione dell idrogeno, per essere efficace, dovrà essere estesa anche alle applicazioni energetiche diverse dai trasporti, che assorbono i 2/3 dell energia primaria. E necessario puntare ad una vasta visione di un «economia basata sull idrogeno». Che ciò sia lontano dall essere un utopia e che sia invece possibile è confermato dall esempio dell Islanda. Il governo islandese ha preso nel 1999 l importante decisione di puntare progressivamente sulla graduale sostituzione dei combustibili fossili con l idrogeno, prodotto localmente a partire dalla geotermia, con l obiettivo di creare un sistema paese energeticamente autosufficiente, integralmente basato sull idrogeno e sull elettricità. L idrogeno, prodotto a partire dall elettrolisi dell acqua, sostituirà progressivamente l importazione di combustibili fossili. Tale transizione, peraltro già iniziata, richiederà tuttavia tempi considerevoli per essere completata. Le molteplici e coraggiose iniziative italiane che indicano la presenza di grandi potenzialità di ricerca andrebbero, seguendo l esempio dell Islanda, convogliate verso un vasto progetto diretto a realizzare un «isola» basata sull idrogeno in tutti i suoi impieghi. Estratto dall articolo: L idrogeno unica chiave del futuro di Carlo Rubbia, Corriere della Sera, Agosto 2003 Pag: 9

10 Specifiche tecniche Batteria ad idrogeno Tensione del sistema 80 V Potenza nominale cella a combustibile 18 kw Potenza fornita dagli ultracapacitori 20 kw Potenza massima del sistema 38 kw Combustibile Idrogeno 5.0 Capacità serbatoio 2 x 40 l Pressione serbatoio 350 bar Autonomia (in condizioni di lavoro medie) 8 ore Tempo di rifornimento < 5 minuti Raffreddamento a liquido, integrato nello stack Larghezza 90 cm Dimensioni cassone di contenimento Profondità 80 cm Altezza 105 cm Optional Serbatoi idrogeno maggiorati Convertitore DC/AC o DC/DC E possibile costruire Batterie ad idrogeno di diverse caratteristiche, contattate il nostro ufficio tecnico per ulteriori informazioni. Le specifiche tecniche possono variare senza preavviso. Via Pillea Genova Tel Fax info@rebasrl.com Web