Università degli Studi di Palermo

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1 Università degli Studi di Palermo Facoltà di Ingegneria L'impiego dell'idrogeno nei sistemi di locomozione. Stato dell'arte ed analisi tecnico economica di Paolo Ferrante Relatore: Enea Mario A. A

2 Introduzione Diversi fattori hanno fatto crescere, negli ultimi anni, l interesse del mondo scientifico e dell opinione pubblica sul tema energia. Senza approfondire argomenti che verranno trattati in altre parti del presente studio, citiamo alcuni fattori più evidenti: a) La crescita vivace di paesi emergenti come l India e la Cina b) Il prevedibile esaurimento delle fonti tradizionali di energia, prime fra tutte il carbone e il petrolio. c) La crescente attenzione per i danni ambientali e sanitari che l utilizzo delle fonti tradizionali comporta. Per alcuni tipi di utilizzo si è ricorso all uso delle fonti rinnovabili di energia e al nucleare. Per altri tipi di utilizzo l uso delle suddette fonti non è applicabile. Tra questi i mezzi di trasporto, per i quali l uso dell idrogeno quale vettore energetico si presenta interessante, come dimostra per altro l elevato numero di prototipi che sono stati approntati dalle principali case automobilistiche mondiali. Nel presente studio sono state inizialmente analizzate, le caratteristiche dell idrogeno sia dal punto di vista chimico-fisico sia come combustibile, quindi sono stati descritti i principali metodi di produzione (cap. 1). Nel secondo capitolo viene affrontato il confronto tra le i possibili utilizzi dell idrogeno per l autotrazione, e cioè il motore a combustione interna e il motore elettrico alimentato da 1

3 celle a combustibile. Si è preso poi in esame il problema dello stoccaggio, esaminando le tipologie disponibili o in fase di studio ( cap. 3). Tutte hanno come finalità la compattazione dell idrogeno nel minore spazio, in modo da renderlo utilizzabile nel campo dell autotrazione. Quindi sono state studiate le poche realizzazioni e i molti prototipi che rappresentano lo stato dell arte del settore (cap. 4). Infine si è affrontato il tema dei costi dell idrogeno (cap. 5). L analisi economica, necessaria per un confronto fra le diverse soluzioni tecniche, non è stata limitata alla situazione attuale, ma si sono presi in considerazione diversi possibili scenari futuri, per trarre indicazioni sulla competitività del combustibile idrogeno rispetto a quelli tradizionali, come la benzina. 2

4 Capitolo 1 L IDROGENO COME VETTORE DI ENERGIA 1.1 Generalità sull idrogeno L idrogeno e un elemento molto particolare in quanto nel suo orbitale possiede un solo elettrone, risulta quindi essere un elemento anomalo rispetto agli altri elementi della tavola periodica che hanno tutti almeno due elettroni. Nella molecola di idrogeno i due atomi sono legati da un rapporto puramente covalente, quindi l energia guadagnata (o persa) per ogni elettrone è molto elevata, ed è questo uno dei motivi per cui è molto studiato il suo comportamento. L idrogeno rappresenta l elemento più abbondante dell universo. Nel sole ad esempio è presente per circa il 90%, e con l ossigeno ed il silicio è uno degli elementi più diffusi della crosta terrestre. Combinato con carbonio, ossigeno ed azoto è uno dei principali costituenti del mondo vegetale e animale. A temperatura ambiente è un gas incolore, inodore e praticamente insolubile in acqua. Generalmente poco attivo a freddo, esso dà luogo a caldo o in presenza di catalizzatori a numerose reazioni chimiche. La combinazione con ossigeno avviene spesso con un esplosione. L idrogeno ha un alto contenuto di energia per unità di massa. La densità e la temperatura di ebollizione ( -253 C ) molto basse, rendono difficoltoso lo stoccaggio dell idrogeno, come verrà visto successivamente. Nella tabella 1.1 ne sono sintetizzate le principali caratteristiche. 3

5 Questo elemento è il più abbondante presente sulla terra, anche se poco più dell 1% è presente come idrogeno molecolare H 2, la maggior parte dell idrogeno presente si trova sotto forma di H 2 O oppure legato a liquidi e gas idrocarburici. Tabella 1.1 Proprietà dell idrogeno 4

6 1.2 I motivi della scelta dell idrogeno Subito dopo l invenzione della macchina a vapore (1860), la rivoluzione industriale cominciò a sostituire il lavoro umano e animale con sorgenti energetiche fossili. Quantitativi sempre maggiori di energia prelevata dalla natura, inizialmente sotto forma di legna o carbone e, più tardi, di petrolio e gas naturale venivano usati a beneficio dell uomo. Questa grande disponibilità di energia rendeva possibile la produzione di massa di merci, con corrispondenti riduzioni dei prezzi e innalzamento degli standard di vita. Ciò comportava più lavoro, reddito, merci e servizi. Gli standard di vita mondiali salivano. All inizio della rivoluzione industriale, il PIL (Prodotto Interno Lordo) mondiale pro-capite si misurava in decine di dollari. Oggi è di circa 6700 dollari.. Man mano che l umanità consumava quantitativi sempre maggiori di combustibili fossili, cominciarono ad emergere due importanti questioni: I combustibili fossili si sarebbero esauriti in un futuro prevedibile. I loro prodotti di combustione causano problemi ambientali globali. La domanda di energia continua a salire per tre ragioni principali: a) il continuo aumento della popolazione mondiale; b) la domanda crescente dei paesi in via di sviluppo (che si propongono di migliorare i loro standard di vita); c) la domanda crescente dei paesi industrializzati. Oggi, circa l 87.7 % della domanda mondiale di energia è soddisfatta dai combustibili fossili: il petrolio contribuisce per circa il 36.8%, il gas naturale per il 23.7% e 5

7 il carbone per il 27.2%. Nel 2004, per la prima volta nella storia dell umanità, la produzione di petrolio ha superato gli 80 milioni di barili/giorno. Tuttavia, si prevede che la produzione mondiale di petrolio raggiungerà il picco molto presto e, subito dopo, comincerà a diminuire. Secondo molti studiosi, il picco sarà raggiunto entro il Altri, più ottimisti, ritengono che il picco sarà raggiunto tra il 2020 e il Altri ancora ritengono che petrolio e gas manterranno un ruolo chiave nel soddisfare le esigenze energetiche del pianeta almeno per tutta la prima metà di questo secolo. Come si vede, in ogni caso tutte le stime concordano circa il fatto che si pone il problema di sostituire il sistema energetico basato sui combustibili fossili entro tempi relativamente brevi. Il secondo problema globale associato ai combustibili fossili è il danno ambientale provocato dal loro uso e dai loro prodotti di combustione. Le tecnologie di estrazione, trasporto, lavorazione e, in particolare, l uso finale hanno impatto deleterio sull ambiente, cosa che causa effetti negativi diretti e indiretti sull economia. Durante l estrazione, il trasporto e lo stoccaggio di petrolio e gas, si verificano fuoriuscite e perdite che provocano inquinamento dell aria e dell acqua. Anche il processo di raffinazione ha un impatto ambientale negativo. Comunque, gran parte dell impatto ambientale dei combustibili fossili è dovuto al loro uso finale. Indipendentemente dallo scopo finale (riscaldamento, produzione di energia elettrica o di forza motrice per i trasporti), l uso finale è la combustione. I costituenti principali dei combustibili fossili sono carbonio e idrogeno. Ma ci sono anche altri ingredienti che sono contenuti originariamente nel combustibile, (per esempio, composti solforati, composti azotati, composti di metalli pesanti), o che si 6

8 formano durante la raffinazione (per esempio benzene e altri idrocarburi aromatici), che contribuiscono alla formazione delle cosiddette polveri sottili La combustione dei combustibili fossili produce diversi gas che vengono rilasciati nell atmosfera e inquinano l aria. L inquinamento dell aria può essere definito in termini di presenza di alcuni gas e particolati che non sono costituenti naturali dell atmosfera o anche in termini di presenza di costituenti naturali in concentrazioni anomale (è il caso del biossido di carbonio). L inquinamento dell aria provoca danni alla salute degli esseri umani, a quella degli animali, alle coltivazioni, alle strutture, riduce la visibilità. Una volta nell atmosfera, innescati dalla luce solare o dal miscelamento con l acqua e con altri componenti atmosferici, questi inquinanti primari possono dar luogo a reazioni chimiche, cambiare la loro forma e divenire inquinanti secondari come ozono, aerosol, vari acidi etc. La precipitazione di ossidi di zolfo e di azoto che si sono disciolti nelle nuvole e nelle gocce d acqua per formare acido solforico e nitrico è chiamata pioggia acida: ma sono state riscontrate anche rugiada acida, nebbia acida e neve acida. I prodotti della combustione, principalmente biossido di carbonio, assieme ad altri cosiddetti gas serra (metano, ossidi di azoto, fluoro-cloro-carburi) producono cambiamenti termici, assorbendo la radiazione infrarossa che la terra irradia verso lo spazio e irradiandone nuovamente una parte sulla terra con l effetto finale di un aumento della temperatura del pianeta. Gli effetti dell incremento di temperatura del pianeta possono essere drammatici: fusione delle calotte polari, innalzamento del livello degli oceani per effetto combinato dell aumentata quantità e della diminuita densità dell acqua, cambiamenti climatici con 7

9 conseguenti ondate di calore, siccità, inondazioni, tempeste e uragani più intensi, incendi spontanei etc. Il combustibile fossile che causa i maggiori danni ambientali è il carbone. Il combustibile più pulito è il gas naturale. Un incremento della quota relativa del consumo di gas a spese di carbone e petrolio risulterebbe, dunque, benefica per l ambiente. Purtroppo, le cose non vanno così. Le variazioni dei consumi mondiali 2004 su quelli 2003 sono le seguenti: Gas naturale: +3.3%; Petrolio: +3.4%; Carbone: +6.3%. C è da temere che la tendenza all aumento della quota dei consumi energetici coperta da carbone prosegua. Le ragioni principali sono due: le riserve di carbone estraibile sono assai più abbondanti di quelle di petrolio e gas naturale, e il carbone è meno costoso del petrolio e del gas naturale e lo resterà fino a quando i costi dei danni ambientali non saranno inclusi nei prezzi dei combustibili fossili. Per questi motivi si pone con una certa urgenza il problema di sostituire il sistema energetico basato sui combustibili fossili con un sistema energetico basato su fonti primarie diverse. Ci sono diverse sorgenti di energia primaria disponibili, come l energia nucleare, l energia solare, l energia del vento, l energia idrica, l energia geotermica, le correnti oceaniche, le maree e le onde. Per avere una prima idea delle dimensioni del problema costituito dalle fonti primarie che dovranno sostituire i combustibili fossili, si consideri che nel 2004 l energia nucleare ha coperto il 6.1% dei consumi energetici mondiali e che la quota coperta dall energia idroelettrica è stata quasi identica: 6.2%. Tutte le fonti rinnovabili diverse dall energia idroelettrica hanno coperto quote non significative dei consumi energetici mondiali. 8

10 È bene precisare subito che l idrogeno non è una fonte primaria, ma un vettore di energia che deve essere prodotto da fonti primarie. Dunque l idrogeno non può aiutare in alcun modo a risolvere il problema delle fonti primarie. Diversamente dai combustibili fossili, che hanno lo straordinario vantaggio di essere contemporaneamente fonti primarie e vettori di energia, le nuove fonti primarie che dovranno sostituirli non godono di questo vantaggio. Questa limitazione è conseguenza diretta della struttura dei consumi finali: presso il consumatore, circa un quarto dell energia primaria viene usata come elettricità e circa tre quarti come combustibile. Nessuna delle nuove sorgenti primarie può essere usata direttamente come combustibile, per esempio per il trasporto aereo e terrestre. Conseguentemente, le nuove sorgenti primarie devono essere usate per produrre un combustibile vettore di energia. È importante, naturalmente, scegliere come vettore il miglior combustibile possibile. In particolare, è opportuno che il nuovo vettore: possa essere convenientemente usato per alimentare i mezzi di trasporto. sia versatile, possa cioè essere convertito facilmente in altre forme di energia presso il consumatore finale. sia ragionevolmente sicuro. consenta la costruzione di un sistema energetico sostenibile. L idrogeno possiede tutte le caratteristiche menzionate. In particolare, la sua combustione non produce gas inquinanti, ma acqua. Dunque, sebbene non possa risolvere il problema 9