Celle a combustibile per un'energia nel rispetto dell'ambiente: sfida o realtà?

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1 Celle a combustibile per un'energia nel rispetto dell'ambiente: sfida o realtà? Prof. Paolo Spinelli POLITECNICO DI TORINO Dipartimento di Scienza dei Materiali e Ingegneria Chimica 13 Ottobre 2008, Cuorgnè

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3 Fonti vettori utilizzo Carbone Petrolio Gas naturale Energia nucleare Energia idraulica Energia eolica Energia solare Energia geotermica Biomasse Impianti di produzione Elettricità Derivati dal petrolio: combustibili e carburanti Acqua calda Idrogeno, syngas Linee di trasporto Trasporti Abitazioni Industria Altri Macchine Dispositivi

4 Processi naturali Attività dell uomo Energia e lavoro Trasportabilità Fonti energetiche Industrializzazione Limitatezza delle risorse Combustibili Ambiente Sostenibilità

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6 Da dove viene Quanta energia Petrolio Gas naturale Carbone Biomasse Idroelettrica Nucleare Eolico, solare Consumo di energia Gtep ,96 2,31 0,78 1,17 0,24 0,71 0, Dove va Anno 1 tep = kcal = kwh 2020 Trasporti Abitazioni Industria Altro 2,60 3,79 4,05 0,76

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9 La rete di trasmissione ha anche la funzione di interconnettere i centri di produzione non solo nazionali ma anche transnazionali al fine di ottimizzare la produzione. Il consumo energetico non è infatti costante, ma cala notevolmente durante le ore notturne, ma mentre alcune centrali possono essere portate a regimi di produzione inferiori (es. le centrali idroelettriche), per altre non è possibile. Grazie alla rete di trasmissione è possibile riallocare le risorse riducendo gli sprechi energetici. Alcuni impianti idroelettrici inoltre sono reversibili, possono cioè sollevare acqua dal bacino inferiore a quello superiore durante la notte per accumulare energia prodotta da altre centrali, ricevuta attraverso la rete.

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24 rinnovabili biomasse Fabbisogno energia primaria, Mtep/anno nucleare 452 gas 105 petrolio 250 carbone idrica Nord America Unione Europea OECD Asia e Oceania Cina e India 63

25 I fabbisogni energetici fino al 2030 cresceranno dell 1,7% all anno aumentando di 2/3 il livello attuale e passando da circa 10 Gtep a 15,3 Gtep. I combustibili fossili copriranno il 90% dei fabbisogni Il consumo di petrolio crescerà di circa l 1,6% all anno, passando da 75 Mb/d nel 2000 a 120 Mb/d nel Il 75% di questa richiesta proverrà dai trasporti. Il consumo di NG raddoppierà passando dal 23% al 28% del mix energetico. Si prevede che il 60% sarà utilizzato per produzione di energia elettrica in cicli combinati vapore-turbina a gas

26 I consumi di carbone aumenteranno meno. I principali consumatori saranno Cina e India. L utilizzazione di energia nucleare diminuirà passando in termini di energia primaria dal 7% al 5%. (per la quota relativa all energia elettrica dal 17% al 9%). I dati sul futuro sono incerti Le energie rinnovabili sono quelle che si espanderanno di più. Tra esse al primo posto rimane l energia idroelettrica mentre le altre fonti (solare, vento, maree) cresceranno del 3,3 % all anno Al 2030 il contributo delle RES rimarrà comunque sempre minimo (da 2 a 6 giorni di copertura)

27 Italia - Domanda di fonti primarie carbone petrolio gas biomasse idraulica rinnovabili Anno

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30 GENERALITA SULLE FUEL CELLS Le pile a combustibile o fuel cells sono generatori elettrochimici particolari. Per essi i reagenti, allo stato fluido, vengono riforniti alla cella in modo continuo da serbatoi esterni alla cella stessa, contemporaneamente vengono eliminati gli eventuali prodotti della reazione. In questo modo la produzione di energia elettrica dipende dalla quantità di combustibile che viene inviato alla cella.

31 Pile Gen. primari Primary Batteries Accumulatori Gen. secondari Storage Batteries Ie - + R P Ie - + R - P R scarica Pile a combust. Celle a combust. Fuel Cell R Ie + P carica Ie + P

32 Le pile a combustibile possono produrre energia con buona efficienza di conversione, conversione con semplicità di funzionamento e con elevata energia specifica. specifica Si tratta quindi di sistemi elettrochimici con grandi potenzialità di sviluppo, per i quali uno dei maggiori problemi è costituito dal costo dei materiali e in particolare dei catalizzatori, indispensabili per assicurare la velocità delle reazioni elettroniche. Per questo motivo, le pile a combustibile non hanno di fatto ancora trovato una vera diffusione commerciale.

33 Le Fuel Cell hanno la potenzialità contribuire alla riduzione dell'utilizzo di combustibili fossili. Trasporti: possono parzialmente sostituire i motori a combustione interna. FC a idrogeno (stoccato a bordo) con strutture di rifornimento. Applicazioni stazionarie: possono essere impiegate in applicazioni stazionarie (distribuite), di energia ausiliaria, di energia portabile. basate su reforming di gas naturale, GPL o altri combustibili liquidi (rinnovabili). Per piccole applicazioni di elettronica di consumo sono proponibili celle a metanolo.

34 Gli obiettivi dei programmi DOE al 2011 considerano Per il trasporto: FC a H2 con efficienze del 60%, di lunga durata, con costi inferiori a 50 $/kw. Per applicazioni stazionarie distribuite: celle PEM alimentate con gas naturale o con GPL, che abbiano un'efficienza del 40%, una durta di h e un costo di 750 $/kw. Elettronica di consumo (<50W): energia specifica di 1000 Wh/l. Unità ausiliarie (3-30 kw): potenza specifica di 100 W/ kg (100 W/l).

35 Una Fuel Cell (Cella a Combustibile) è un dispositivo elettrochimico in grado di trasformare l energia chimica di una reazione direttamente in energia elettrica. elettrica R P H2 + ½O2 H2O G = GP GR < 0

36 Energia e reazioni chimiche R P G = H T S G + zfe = 0 E = G/zF G H T S εi = = rendimento termico H H VzF VIt εe= = = ε V ε I rendimento energetico G EI mt Potenza termica scambiata T S Q = I+ zf η I + RI 2 W Q

37 Come per gli altri generatori elettrochimici la reazione avviene in un sistema composto da due elettrodi (conduttori elettronici) e da un elettrolita (conduttore ionico). La caratteristica di sistema eterogeneo multi-fase consente la separazione degli elettroni che fluiscono nei conduttori elettronici dagli ioni che si muovono invece nel conduttore ionico (elettrolita). Il processo elementare alla base di questa separazione dà luogo alle reazioni elettrochimiche.

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42 PEMFC da 3,5 kw

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44 Sfide da affrontare per la commercializzazione Costi e durata. Tolleranza alle impurità. Le dimensioni e i pesi, anche se ci si è avvicinati agli obbiettivi, devono essere ridotti. Per le PEM occorre semplificare la gestione dell'umidificazione e risolvere il problema delle basse temperature (congelamento).

45 Fuel Cell Elettrolita A membrana protonica PEMFC Nafion Acido polyperfluorosolfonico Alcaline AFC Soluzione di KOH Acido fosforico PAFC T C Potenza Rendimento <1kW250kW 53-58% Trasporti 25 35% stazionarie Applicazioni Vantaggi Svantaggi Energia di riserva Sist. Portatili Veicoli Piccola generazione distribuita Bassa temperatura Start-up rapido Catalizzatori costosi Sensibile alle impurezze Non adatta per CHP Militari spaziali Reazione catodica veloce Alte prestazioni Rimozione CO kW100kW 60% Acido fosforico kW1MW 32-38% Energia di riserva Sist. Portatili Veicoli Piccola generazione distribuita Buona efficienza con CHP Tolleranza alle impurità Catalizzatori al Pt Bassa potenza specifica Carbonati fusi MCFC Miscela di carbonati fusi Li, Na, K <1kW1MW 45-47% Generazione distribuita Alta efficienza Flessibilità di combustibile Adatta a CHP Corrosione dei componenti Gestione elettrolita Start-up lento Ossidi solidi SOFC Zirconia drogata con Yttria kW3MW 35-43% Energia ausiliaria Generazione distribuita Alta efficienza Flessibilità di combustibile Adatta a CHP Ciclo ibrido con TG Materiali Start-up lento Fragilità dell elettrolita ai cicli termici

46 Celle singole formano uno stack, da cui moduli di potenza maggiore ed impianti di grande potenza, ottenuti sommando più moduli

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48 Celle a bassa T a elettrolita polimerico PEFC, PEMFC

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