Laboratorio di chimica

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1 Laboratorio di chimica Dall acqua all energia pulita: scopriamo la filiera dell idrogeno Che cos è l idrogeno? L idrogeno: gas inodore, incolore che bruciando produce acqua, è il vettore energetico ideale. Utilizzato dalle automobili, trasforma i gas di scarico in innocuo vapor acqueo. Impiegato in impianti stazionari fornisce energia elettrica e calore a case, uffici, ospedali. Ma come si produce? Come lo si utilizza? Quali i problemi? Perché si è reso necessario pensare a nuovi sistemi di produzione dell energia? Si è reso necessario pensare a nuovi sistemi di produzione dell energia perché si stima che le fonti energetiche attualmente utilizzate (combustibili fossili quali metano, petrolio, carbone) finiranno in tempi relativamente brevi. 1

2 Inoltre i combustibili fossili producono gas di scarico inquinanti: soprattutto nel periodo invernale la qualità dell aria che respiriamo nelle nostre città diventa un problema di difficile soluzione tanto da imporre talvolta il blocco del traffico urbano. Per queste ragioni si è pensato all idrogeno, l elemento più abbondante dell Universo. L idrogeno però non si trova allo stato elementare ma combinato con altri elementi, per esempio con l ossigeno a formare l acqua. Per questo non è una fonte di energia ma un accumularore di energia, un vettore energetico. 2

3 Quali sono le caratteristiche dell idrogeno? E l elemento più abbondante e più leggero in natura: l idrogeno è un gas in condizioni ambientali privo di colore, odore e sapore. Non è tossico ed è classificato come asfissiante semplice. Percentuale idrogeno Allo stato liquido è trasparente, senza odore e non corrosivo. E infiammabile e forma miscele esplosive con l aria. Bolle a C: una temperatura davvero molto bassa, infatti ad esclusione dell elio, tutti i gas sono solidi alla temperatura dell idrogeno liquido. Analizziamo in questa scheda le sue caratteristiche chimico fisiche e confrontiamole con quelle del metano: 3

4 Confronto tra idrogeno e metano H 2 CH 4 peso molecolare ,04 punto di ebollizione -252,8-161,5 [ C] temperatura critica ,9 [ C] pressione critica 13 46,4 [bar] peso specifico aria 0,069 0,555 [kg/m3] potere calorifico 120,09 50,01 [kj/kg] Limite infiammab. 4 5,3 Inferiore [%] Limite infiammb Superiore [%] energia di 0,02 0,29 accensione [mj] temperatura di accensione [ C] volume di idrogeno liquido è pari a circa 840 volumi di idrogeno gassoso, nelle condizioni ambiente. Liquido è 93 volte più leggero dell acqua. Per questo uno dei sistemi di stoccaggio dell idrogeno prevede la liquefazione del gas. Vediamo come la temperatura critica dell idrogeno (temperatura al di sopra della quale non è possibile liquefare il gas anche aumentando la pressione) è comunque molto bassa: -240 C. Questo significa che per liquefare l idrogeno bisogna raffreddarlo almeno a 240 C! Il processo di liquefazione più utilizzato è il ciclo di Linde o il ciclo di espansione Joule-Thompson. L idrogeno può essere liquefatto per la produzione stazionaria dell energia e per il rifornimento di autoveicoli. 4

5 Gli svantaggi di questo tipo di stoccaggio sono il costo dell operazione (l idrogeno una volta liquefatto deve essere mantenuto a una temperatura di 253 C) e i problemi legati a una eventuale fuoriuscita di idrogeno liquido. L idrogeno può essere immagazzinato in forma gassosa in bombole a pressioni molto alte, dell ordine di MPa Come viene prodotto? L idrogeno può essere prodotto utilizzando fonti energetiche rinnovabili o fossili. I due metodi principali sono: l eletrolisi e lo steam reforming degli idrocarburi. Sebbene l utilizzo di idrocarburi non elimini completamente la produzione di CO 2, bisogna osservare che la limita: le celle a idrogeno hanno rendimenti molto elevati rispetto agli altri sistemi di produzione di energia tradizionali che diminuiscono sensibilmente la quantità di idrocarburo impiegata e di conseguenza di CO 2 emessa. Elettrolizzatore 5

6 Lo steam reforming del metano è ormai una tecnologia matura e con esso si produce circa il 48% dell idrogeno. I costi di produzione sono notevolmente inferiori a quelli dell elettrolisi dell acqua ed è per questo che a tutt oggi risulta il metodo più conveniente. Il processo avviene a 800 C e a una pressione pari a 2,5 Mpa e consta di due fasi: L elettrolisi dell acqua prevede la decomposizione dell acqua in idrogeno e ossigeno. Tale reazione non è spontanea e comporta il consumo di energia elettrica: H 2 O ½ O 2 + H 2 6

7 Che cosa si intende per cella a idrogeno o fuel cell? La fuel cell è una cella elettrochimica in cui idrogeno e ossigeno si combinano in maniera controllata (in modo ben diverso dalla combustione o dalla esplosione!) per produrre direttamente corrente elettrica e calore. Nella cella a combustibile avviene la reazione inversa di quella osservata e descritta per l elettrolizzatore 7

8 Una cella elettrolitica che trasforma energia chimica in energia elettrica viene detta cella galvanica o pila. Le comuni pile che si acquistano nei negozi sono dispositivi chimici dello stesso tipo: sfruttano le reazioni chimiche che avvengono con scambio di elettroni tra i reagenti (reazioni di ossidoriduzione) per ottenere una corrente elettrica. In questi sistemi sono presenti due elettrodi, anodo e catodo che nella fuel cell sono le piastre bipolari realizzate in grafite. Gli elettrodi vengono collegati con un conduttore metallico esterno alla cella che serve per il trasporto degli elettroni dall anodo al catodo. La cella viene divisa in due semicelle, anodica e catodica, con setti semipermeabili in modo che i reagenti, in questo caso idrogeno e ossigeno, non si mescolino e non reagiscano tra loro in maniera diretta e incontrollata. La reazione che avviene nella cella risulta essere: 8

9 Quando è stata inventata? Le fuel cell non sono di certo un invenzione dei nostri giorni, sebbene il loro studio e le loro applicazioni si siano sviluppati soltanto a partire dal La loro invenzione risale a Sir William Grove e sono uno dei primi sistemi elettrochimici per la produzione di energia elettrica inventati dall uomo. Il loro sviluppo tecnologico ha registrato una battuta d arresto perché nel XIX secolo si sono imposti i motori a vapore e a combustione interna. Le ragioni di questo lento sviluppo delle celle a combustibile possono essere ricondotte a fattori puramente economici, a problemi legati ai materiali impiegati, a una certa insufficienza nel funzionamento dei sistemi elettrochimici di allora. A lato la fuel cell in dotazione all impiianto installato all I.T.I.S 9

10 Quando è stata utilizzata per la prima volta? Il primo impiego di successo della fuel cell fu realizzato nell ambito delle tecnologie spaziali. Un dispositivo elettrochimico in grado di produrre energia elettrica, calore e acqua potabile per l equipaggio risultava molto più conveniente rispetto alle batterie tradizionali. Il primo impiego delle fuel cell fu nel programma spaziale Apollo realizzato dalla NASA negli anni 60. Da allora si moltiplicarono gli studi e le ricerche nel settore, sempre in relazione al loro impiego nel settore spaziale. 10

11 Negli anni 70 furono progettate le prime auto a idrogeno che utilizzavano fuel cell alcaline combinate con batterie al piombo. Oggi si pensa a impieghi stazionari e nel settori dei trasporti: in Piemonte segnaliamo la realizzazione di Irisbus, che a Torino sta completando il collaudo su linee urbane. 11

12 Quanti tipi di fuel cell esistono? Attualmente ne esistono sei tipi che si differenziano per l elettrolita e la temperature di esercizio. Le celle a bassa temperatura vengono alimentate da idrogeno o metanolo, quelle ad alta temperatura possono anche essere alimentate con idrocarburi più pesanti. 12

13 All ITIS Faccio è stata istallato un insieme di 20 PEMFC collegate tra loro in serie, detto stack. Vediamo nel dettaglio tutti i componenti di una fuel cell, analizzando la figura seguente: 13