Arturo Romer Minusio, marzo 2008

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1 Arturo Romer Minusio, marzo 2008

2 Omega H 2 Alfa

3 Proprietà dell idrogeno (H 2 ) Massa molecolare g/mole Densità (come gas, alle condizioni standard) kg/m Densità (come liquido, a -253 C) kg/m 3 70 Potere calorico superiore Potere calorico inferiore kwh/kg kwh/kg ll potere calorico superiore è il calore sviluppato dalla combustione di idrogeno tenendo anche conto del calore di condensazione del vapore acqueo (1 kwh = 3.6 MJ)

4 Arturo Romer A. Minusio, marzo 2008 Sole Vento Gas naturale Carbone Petrolio Geotermia Biomassa Forza idrica Energia nucleare Elettricità Benzina Diesel Metanolo Etanolo H 2 O Elettrolisi Steam reforming C x H y H 2 O Gassificazione GH 2 (forma gassosa) Compressione, Trasporto, Stoccaggio, Distribuzione LH 2 (forma liquida) Liquefazione, Trasporto, Stoccaggio, Rifornimento stazionario mobile portatile

5 Il rendimento globale dello Steam reforming si situa tra il 70 e l 80% Steam reforming di metano: CH 4 H 2 O CO 3 H 2 CO H 2 O CO 2 H 2 CH 4 2 H 2 O CO 2 4 H 2

6 Rendimento elettrolisi Consumi e prodotti finali Consumo di elettricità [kwh el ] PRODOTTI FINALI H 2 O 2 Processo ideale rendimento h = 100% [m 3 ] [m3] (= [g]) Processo reale rendimento h = 70% [m 3 ] [m3] (= [g])

7 1.358 m³ H 2 (Idrogeno) 1 litro H 2 O kwh el Energia elettrica m³ O 2 (Ossigeno)

8 H 2 O H 2 (energia chimica) Energia elettrica ½ O 2 (corrente continua)

9 LA PRODUZIONE E LA COMBUSTIONE DI IDROGENO H 2 (gassoso) 1/2 O 2 (gassoso) Energia liberata (combustione) -286 [kj/mole] Energia assorbita (elettrolisi) 286 [kj/mole] H 2 O (liquido)

10 Rendimento elettrolisi Consumi e prodotti finali Consumo di elettricità [kwh el ] PRODOTTI FINALI H 2 O 2 Processo ideale rendimento h = 100% [m 3 ] [m3] (= 1 [kg]) Processo reale rendimento h = 70% [m 3 ] [m3] (= 1 [kg])

11 Contenuto per unità di volume Contenuto per unità di massa [kj/m 3 ] [kwh/m 3 ] [kj/kg] [kwh/kg] Potere calorifico inferiore 10' '000 _ 33.3 Potere calorifico superiore 12' ' Condizioni standard: T = K, p = bar

12 (Ipotesi: rendimento elettrolisi e reforming 70%) Petrolio 4.83 kg 56.3 kwh 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 Carbone 6.92 kg 56.3 kwh reforming Energia nucleare Energia geotermica

13 H 2 Energia elettrica (energia chimica) (corrente continua) Calore ½ O 2 H 2 O

14 1 l di H 2 O kwh el (η = 70%) (η = 50%) 1,358 m 3 H 2 0,679 m 3 O elettrolisi 2 cella a combustibile 2.2 kwh el calore residuo

15 IL PERCORSO FORZA IDRICA IDROGENO CELLA A COMBUSTIBILE Forza idrica 1 kwh el H 2 η 4 = η 5 = kwh kwh el kwh DC el cella a AC combustibile trasporto liquefazione η 1 =0.9 AC DC trasporto H kwh (energia chimica!) compressione 0.9 kwh el Elettrolisi η H 4 = η 5 = kwh kwh kwh el el cella a DC AC combustibile trasporto η tot = η 1 η 2 η 3 η 4 η 5 =

16 [gco 2 /kwh th ] Le emissioni specifiche di CO 2 (in g di CO 2 per unità di energia termica) (*) la legna risulta neutrale se viene utilizzata in modo sostenibile (riforestazione) legna (*) lignite carbone petrolio metanolo etanolo metano

17 Il percorso dal gas naturale alla ruota (Variante 3: motore Otto) Compressione del gas naturale Combustione interna, motore Otto Trasmissione motore-ruota Gas naturale h 1 = 9 h 2 = 3 2 h 3 = 8 h totale = h 1 h 2 h 3 =

18 CO 2 ( kg) H 2 O Gas naturale 56.3 kwh Steam reforming H 2 1 kg Cella a combustibile h = 7 % h = 5 % kwh Elettricità 19.7 kwh el Emissione specifica: 543 g CO 2 / kwh el

19 CO g H 2 O Centrale idroelettrica 56.3 kwh el Elettrolisi H 2 1 kg Cella a combustibile h = 7 % h = 5 % kwh Elettricità 19.7 kwh el Emissione specifica: 4 g CO 2 / kwh el Emissione specifica: 11.4 g CO 2 / kwh el

20 CO kg H 2 O Centrale fotovoltaica Elettrolisi H 2 1 kg Cella a combustibile Elettricità h = 7 % h = 5 % 56.3 kwh el kwh 19.7 kwh el Emissione specifica: 79 g CO 2 / kwh el Emissione specifica: g CO 2 / kwh el

21 Ciclo combinato - turbina a gas - turbina a vapore Elettrolisi Gas naturale h 1 = 5 Elettricità h 2 = 7 75 Idrogeno h totale = h 1 h 2 h 3 h h 5 h = h 3 = 7 85 Compressione oppure Liquefazione Motore elettrico- Ruota Motore elettrico Cella a combustibile h 6 = 8 h 5 = 95 Elettricità h 4 = 5 Idrogeno

22 Steam reforming Compressione oppure Liquefazione Gas naturale h 1 = 7 8 Idrogeno h 2 = 7 85 h totale = h 1 h 2 h 3 h h 5 = Idrogeno Motore elettrico- Ruota Motore elettrico Cella a combustibile h 5 = 8 h 4 = 95 Elettricità h 3 = 5

23 Sole (energia elettromagnetica) Impianto fotovoltaico Elettrolisi h 1 = 1 12 Elettricità h 2 = 7 75 Idrogeno (79 g CO2/kWh el ) h totale = h 1 h 2 h 3 h h 5 h = h 3 = 7 85 Compressione oppure Liquefazione Motore elettrico- Ruota Motore elettrico Cella a combustibile h 6 = 7 h 5 = 95 Elettricità ( g CO 2 /kwh el ) h 4 = 5 Idrogeno

24 Emissioni specifiche e sostenibilità. Produzione di energia elettrica Tecnologia Emissioni e sostenibilità Emissione specifica [gco 2 /kwh el ] aspetto ecologico Sviluppo sostenibile aspetto economico aspetto sociale CARBONE - combustione, ciclo Carnot (η = 40%) - reforming, H 2 compresso, cella a combustibile - combustione, elettrolisi, H 2 compresso, cella a combustibile METANO - combustione, ciclo combinato - reforming, H 2 compresso, cella a combustibile - combustione, elettrolisi, H 2 compresso, cella a combustibile FORZA IDRICA - produzione di elettricità - elettrolisi, H 2 compresso, cella a combustibile 4 13 ENERGIA NUCLEARE - produzione di elettricità - elettrolisi, H 2 compresso, cella a combustibile 8 27 ENERGIA FOTOVOLTAICA (Svizzera) - produzione di elettricità - elettrolisi, H 2 compresso, cella a combustibile ENERGIA EOLICA (Svizzera) - produzione di elettricità - elettrolisi, H 2 compresso, cella a combustibile

25 Varie possibilità dell impiego del gas naturale nel traffico leggero Rendimento globale dal gas naturale alla ruota Impiego del gas naturale Combustione interna con motore a gas naturale Auto elettrica, produzione centrale di elettricità con ciclo combinato, elettricità dalla rete, motore elettrico Combustione interna con motore a gas naturale batterie motore elettrico (macchina ibrida) Produzione centrale di idrogeno compresso mediante steam reforming, cella a combustibile sull autovettura, motore elettrico Produzione centrale di elettricità, ciclo combinato, elettrolisi, idrogeno compresso, cella a combustibile sull autovettura, motore elettrico Rendimento globale dell autovettura aspetto ecologico Sviluppo sostenibile aspetto econo mico aspetto sociale 18-20% 30-36% % % %

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27 Energia Immagazzinata- BACINO (alcuni esempi) Nome impianto Invaso utilizzabile [Mio m 3 ] Salto utile netto [m] Energia immagazzinat a [GWh] Lucendro (TI) Vogorno (TI) Grande Dixence (VS) 390 Fionnay 873 Nendaz: 1007 Chandoline: 1747 Bieudron:

28 condotta forzata Idrogeno Idrogeno L IMMAGAZZINAMENTO DI ENERGIA Un confronto tra bacino e idrogeno Pompaggio Elettrolisi 49 GWh energia potenziale 43 GWh energia chimica GWh compressione / liquefazione 44 GWh Elettricità 54 GWh Elettricità energia chimica 15 GWh Elettricità trasformazione 38