l idrogeno Il vettore energetico di transizione Piercarlo ROMAGNONI Dorsoduro Venezia

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1 l idrogeno Il vettore energetico di transizione Piercarlo ROMAGNONI Dorsoduro Venezia

2 L idrogeno (simbolo chimico H) è l elemento più leggero della tavola periodica ed il più abbondante sulla terra. Si presenta come gas incolore, inodore ed insapore ed è presente, inoltre, in enormi quantità nel sole e nelle stelle: è l elemento più diffuso nell universo (circa il 75%). L'idrogeno è un gas molto reattivo e trova applicazione per le sue capacità chimiche di gas riducente. Il tradizionale impiego dell'idrogeno è: - nell'industria petrolchimica, nella produzione delle benzine; - nell'industria chimico-alimentare per l'idrogenazione dei grassi (ad esempio nelle produzione delle margarine vegetali); - nelle lavorazioni meccaniche dei metalli ed in particolare nel trattamento termico degli stessi, dove è necessario mantenere atmosfere di tipo riducente all'interno dei forni per evitarne l'ossidazione ed, eventualmente, ridurre le quantità di ossidi presenti.

3 L invenzione delle pile a combustibile è dovuta allo scienziato gallese William Robert Grove che, nel 1839, riuscì a generare energia elettrica in una cella contenente acido solforico, nella quale erano stati immersi due elettrodi, alimentati rispettivamente a idrogeno ed a ossigeno.

4 La cella a combustibile è una batteria che si autoalimenta, generando una corrente elettrica dalla combinazione di idrogeno e ossigeno presente nell'aria. Pur producendo energia elettrica attraverso un processo elettrochimico, a differenza delle tradizionali batterie, consuma sostanze provenienti dall esterno ed è quindi in grado di funzionare senza interruzioni, finche al sistema viene fornito combustibile (idrogeno) ed ossidante (ossigeno e aria). In teoria qualsiasi sostanza capace di ossidazione chimica, fornita continuamente (come un fluido), può essere utilizzata come combustibile per la cella e, allo stesso modo, l'ossidante può essere qualsiasi fluido ridotto a un sufficiente tasso.

5 L'idrogeno gassoso è diventato il combustibile di scelta per la maggior parte delle applicazioni; ciò è dovuto alla sua alta reattività quando sono utilizzati catalizzatori adatti, alla capacità di essere prodotto da idrocarburi per applicazioni terrestri e all alta densità di energia quando conservato per applicazioni in ambienti chiusi, come nello spazio. Allo stesso modo, l'ossidante più comune è l ossigeno gassoso, che è prontamente e parsimoniosamente disponibile nell aria, per le applicazioni terrestri, e di nuovo facilmente conservabile in un ambiente chiuso.

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7 La cella a combustibile è costituita da un solo elemento formato essenzialmente da tre componenti: due elettrodi ed un elettrolita. Durante la scarica dell'elemento voltaico, l'elettrodo positivo denominato catodo (generalmente formato da un ossido) subisce un processo di riduzione in cui assorbe ioni positivi dalla soluzione e resta in difetto di elettroni; l'elettrodo negativo, denominato anodo (generalmente formato da un metallo o da una lega), al contrario, subisce un processo di ossidazione in cui immette in soluzione ioni positivi e si trova quindi ad avere elettroni in eccesso.

8 L idrogeno viene inserito all interno della cella mediante l anodo, mentre l ossigeno o aria mediante il catodo. Favorito da un catalizzatore, all interno dell anodo l atomo di idrogeno si suddivide in un protone ed un elettrone. La corrente separata costituita dagli elettroni può essere utilizzata prima che ritornino al catodo, per essere uniti all ossigeno in una molecola di acqua.

9 Una singola cella produce normalmente circa 0,7 V, quindi per ottenere la potenza ed il voltaggio desiderato più celle sono affiancate una all altra e collegate elettricamente fra loro in serie a formare il cosiddetto stack. A seconda, quindi, della potenza richiesta i generatori sono ottenuti da stack assemblati in moduli.

10 Il sistema di funzionamento H 2 O

11 Vista schematica di un reformer

12 A temperature elevate ( C) ed in presenza di metallo che funge da catalizzatore (per es. nichel), il vapore acqueo reagisce con il metano per produrre monossido di carbonio CO e idrogeno H 2. In natura la reazione è reversibile CH 4 + H 2 O CO + 3 H 2 Ulteriore idrogeno può essere prodotto da una reazione a bassa temperatura del vapore acqueo con CO: CO + H 2 O CO 2 + H 2 La prima reazione è leggermente endotermica (richiede calore), la seconda è mediamente esotermica (produce calore)

13 Un confronto

14 Schema di una centrale a idrogeno

15 Progetto centrale a H 2 di Porto Marghera ciclo combinato alimentato con idrogeno per produrre energia elettrica e calore: sviluppa una potenza di circa 12 MW. La centrale, che utilizza 1,3 tonnellate di idrogeno all'ora, ha un rendimento elettrico complessivo pari a circa il 42%, è sostanzialmente priva di emissioni di ogni tipo. L'energia prodotta, pari a circa 60 milioni di chilowattora l'anno, sarà in grado di soddisfare il fabbisogno di famiglie, evitando di rilasciare in atmosfera di oltre tonnellate di anidride carbonica

16 Per rendimento della cella si intende il rapporto tra i kwh prodotti e kj termici (riferiti al potere calorifico inferiore del combustibile) necessari per la produzione. I valori vanno dal 40-48% per gli impianti con celle a bassa temperatura, fino al 60% per quelli con celle ad alta temperatura e giungono addirittura fino al 85% se si utilizza anche il calore da esse prodotto. Inoltre, una cella può operare tra il 30 ed il 100% di carico senza perdite consistenti di efficienza, ma al di sotto del 25% non riesce più ad alimentare il carico.

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18 Tipi di tecnologia Fuel cell Condizioni operative resa PEM C; 1 8 atm % (proton exchange membrane) PAFC C; 1 8 atm 40 % (phosforic acid) AFC C; 1 10 atm % (alcaline) MCFC C; 1 10 atm % (Molten Carbonate Fuel Cell) SOFC C; 10 atm % (Solid Oxide Fuel Cell)

19 Per poter utilizzare economicamente una fuel cell, si fa reagire, all interno di un reformer, un idrocarburo ricco di idrogeno (benzina, etanolo, metanolo, gas naturale) con dell aria: questo provoca, oltre la formazione di acqua, emissioni di SO x, NO x, e CO variabili a seconda del tipo utilizzato e, comunque, molto basse NOx CO Sox Particolato PC25 IMPIANTO COGENERATIVO Grafic o Confronto delle em issioni espresse in ppm

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23 Vantaggi Alta efficienza: una fuel cell ha un'efficienza molto più alta di un normale motore a combustione interna, in quanto, non risentendo dei limiti di Carnot come tutte le macchine termiche, ha un rendimento che non è limitato dalla massima temperatura raggiungibile. Questo discorso vale anche e soprattutto ai carichi parziali, dove spesso un motore a combustione interna ha difficoltà ad operare alla massima efficienza; Rapida risposta al carico: una fuel cell ha una risposta rapidissima alle variazioni del carico proprie di un veicolo stradale; inoltre è in grado di autoregolarsi al variare delle richieste di carico, mantenendo sempre la massima efficienza;

24 Bassa temperatura operativa: le fuel cells di tipo PEM operano a temperature intorno ai 70 C, molto più basse delle temperature operative dei motori a combustione interna. Questo rende l'impianto e il loro utilizzo sul veicolo molto più semplice; Trasformazioni energetiche ridotte: una fuel cell opera lo stesso numero di trasformazioni energetiche di un motore a combustione interna, ma con efficienza maggiore, per cui non c'è un decremento di rendimento complessivo dovuto a trasformazioni energetiche aggiuntive

25 SVANTAGGI Idrogeno: uno degli svantaggi maggiori è nel fatto che l'idrogeno è un gas ancora molto costoso da acquistare, anche se è facile trovare soluzioni economiche di auto-produzione o produzione da fonti rinnovabili; inoltre è un gas potenzialmente pericoloso e necessita di particolari accorgimenti per lo stoccaggio a bordo; Impurezze: allo stato attuale le fuel cells risentono molto di eventuali impurezze presenti nel combustibile (per la presenza del catalizzatore), per cui è necessario utilizzare idrogeno sufficientemente puro; questo obbliga ad utilizzare idrogeno prodotto da elettrolisi dell'acqua o a depurarlo se prodotto tramite reforming; Catalizzatore costoso: attualmente il catalizzatore usato agli elettrodi è Platino, che è un metallo molto costoso e costituisce una delle voci di costo principali della fuel cell; Ghiaccio: per l'umidificazione delle membrane (che resta ancora uno dei punti più critici per il buon funzionamento delle fuel cells) si utilizza acqua pura, eventualmente sfruttando anche quella prodotta al catodo; questo significa che a basse temperature c'è il rischio che si formi del ghiaccio all'interno della cella, danneggiandola;

26 Tecnologia nuova: la tecnologia delle fuel cells è stata approfondita soltanto da pochi anni, pertanto, pur avendo di fronte senza dubbio notevoli passi avanti da compiere, è ancora allo stato iniziale, e perciò risulta essere (anche a causa della totale assenza di economie di scala) ancora molto costosa; Assenza di infrastrutture: un altro problema che frena lo sviluppo di veicoli ad idrogeno è l'assenza di un'infrastruttura per l'approvvigionamento, che oggi risulta ancora difficile da realizzare a costi competitivi

27 Kia ha presentato la nuova piattaforma sperimentale FCEV Fuel Cell. Lungo 4,6 metri, questo telaio accoglie l ultima generazione della tecnologia che Kia ipotizza di utilizzare in futuro per i propri SUV a trazione integrale, con 3 motori elettrici da 100 kw. Le celle a combustibile sono alimentate da due serbatoi di idrogeno da 76 litri, a 700 bar di pressione. Le prestazioni ipotizzate sono di circa 170 km/h e 10 secondi nella accelerazione km/h, ma quello che più conta è l autonomia di 600 km

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30 Opzioni per lo stoccaggio a bordo di H 2 Come gas compresso a 700 atm oltre 3 il volume e 1,4 volte il peso del serbatoio + combustibile che un veicolo a benzina della stessa taglia; - energia spesa per la compressione pari a circa il 10% dell energia dell idrogeno stoccato Come liquido, a 20 K (= -253ºC) solo circa 2 volte il volume ma metà del peso del gruppo serbatoio+ combustibile; - energia spesa per la liquefazione è circa 1/3 di quella dell idrogeno immagazzinato (è possibile una riduzione del 20% nel futuro) Come metallo idrato quasi 4 volte il peso ma solo l 80% del volume del sistema serbatoio+combustibile

31 Massa e volume per stoccare 3,9 kg di idrogeno o benzina equvalente, sufficienti per 610 km

32 Ballard 85-kW fuel cell per applicazioni automobilistiche Source: Little (2000, Cost Analysis of Fuel Cell System for Transportation, Baseline System Cost Estimate, Task 1 and 2 Final Report to Department of Energy, Cambridge)

33 Source: Ballard 85-kW fuel cell

34 Veicolo ibrido Fuel cell-battery Ancillary Devices 90-95% Battery 60-85% Regenerative braking through motor wired as generator H 2 Fuel Cell DC/DC Inverter Motor G e a r 94% 92-95% 92-98% 51% 41%

35 Quindi Un veicolo FCV dovrebbe operare con efficienza tipica del ~ 60%, circa 3 volte quella di un motore a combustione interna Ciò riduce l ammontare di energia (come H 2 ) che è necessario immagazzinare nel veicolo per un determinato range di autonomia di un fattore pari a 3 ma ciò risulta anche critico perchè un qualsiasi sistema di stoccaggio dell idrogeno in auto è pesante e voluminoso in relazione all ammontare dell energia da immagazzinare

36 Problemi Le Fuel cells idonee per l uso nelle auto dovrebbero operare a bassa temperatura (120ºC) Tali celle richiedono come catalizzatori metalli preziosi quali platino e rutenio; Le forniture di Pt sono abbastanza limitate e potrebbero costituire un grosso limite nello sviluppo futuro di tali sistemi L idrogeno potrebbe invece essere usato nei motori a combustione interna (con minore inquinamento), ma con efficienza ridotta

37 Toyota Mirai

38 Il nuovo pacco celle assicura una potenza massima di 114 kw (155 cavalli). La produzione dell energia elettrica è estremamente efficiente. La densità di potenza è pari a 3,1 kw/dm 3. Il nuovo convertitore di potenza risulta molto compatto. Questo sistema ad alta efficienza e capacità è stato realizzato per incrementare la tensione generata dal pacco celle fino a 650 volt. Incrementando la tensione, il nuovo convertitore ha consentito la riduzione delle dimensioni del motore e del numero di celle. L idrogeno è contenuto all interno di serbatoi con una struttura a tre strati realizzata in plastica rinforzata con fibra di carbonio, mentre altri materiali consentono la conservazione dello stesso a una pressione di 70 MPa (70 megapascal, circa 700 bar).

39 Distribuzione delle risorse di Pt sfruttabili Finland 5% Russia 5% USA 3% Canada 1% Other 1% Zimbabwe 9% South Africa 76%

40 Variation of the efficiency and power density of a PEM fuel cell with current density. A smaller current density means that a larger and hence more expensive fuel cell is needed for a given power Power Density (mw/cm 2 ) Power Density Efficiency Efficiency Current Density (ma/cm 2 ) 0.0

41 Variation of voltage of a PEM cell with current density for operation at 50 o C and at different pressures atm 0.7 Cell Potential, Volts T=50 o C 3 atm 5 atm Efficiency Current Density (ma/cm 2 ) 0.0

42 Variation of voltage of a PEM cell with current density for operation at 70 o C and at different pressures atm 0.7 Cell Potential, Volts T=70 o C 3 atm 5 atm Efficiency Current Density (ma/cm 2 ) 0.0