energia Silvia Bodoardo

Transcript

1 1

2 2

3 X energia 3

4 Sistema di accumulo: batteria energia energia 4

5 Sistema di accumulo : Idrogeno Conversione dell energia chimica in energia elettrica ene r gia energia Processo non spontaneo Processo spontaneo

6 Cosa è un generatore elettrochimico Pila: dispositivo per la conversione dell energia chimica in energia elettrica (processo spontaneo) Consideriamo un circuito elettrico costituito da : Due elettrodi (anodo e catodo) Elettrolita Utilizzatore Ossidazione + riduzione danno una reazione elettrochimica spontanea Iionica cationi anioni reazione catodica utilizzatore reazione anodica Durante la scarica, agli elettrodi avvengono due reazioni: Ossidazione spontanea all anodo Riduzione spontanea al catodo + L elettrolita trasporta ioni Attraverso l utilizzatore passano gli elettroni Ielettr elettrolita 6

7 Reazione elettrochimica: R Se la reazione non è ricostituibile Pila propriamente detta o generatore primario Se la reazione è ricostituibile accumulatore P + Ie - P + R scarica - spontanea + R R Pila a combustibile Cella a combustibile R Fuel Cell P Ie - Ie - => P carica Ie + P 7

8 Comportamento di una batteria terminologia Scarica: il processo con il quale uso le cariche accumulate per far funzionare l utilizzatore X XX carica Carica: il processo con il quale riempio la cella di cariche (elettroni) scarica X

9 Durata ai cicli Capacità specifica (mah/g) Comportamento di una batteria terminologia Numero di cicli Capacità: quantità di elettricità, espressa in Ah, che la batteria è in grado di erogare durante la scarica a corrente costante

10 Sistemi di accumulo dei energia: La storia: Batterie al Piombo Oggi: sistemi al Litio e Litio-ione Futuro: Celle a combustibile 10

11 La Batteria al Piombo Scarica alla piastra +: PbO2(s)+4 H+(aq)+SO2-4(aq)+2 epbso4(s)+h2o alla piastra -: Pb(s) + SO2-4 (aq) PbSO4(s) + 2 ecarica: la + diventa anodo e la - diventa catodo 11

12 Sovraccarica: + 2H2O(l) O2(g)+ 4H+(aq)+ 4 e-; - 4H(aq)++ 4e2H2(g)? a z z e r u c i S Elettrochimica applicazioni 12

13 Cella Litio - ione Anodo : foglio di Li metallico grafite composti ad intercalazione Catodo : LiMn2O4 spinello LiCoO2 cobaltite LiM Ox +n carica M+(n+1)Ox + Li+ + e Ossidazione del metallo 13

14 Cella Litio - ione e- Catodo Li+ Li+ Li+ Li+ Li+ Li+ Li+ Li+ Generatore (Carica) e- Li+ Li+ Anodo di grafite Rocking chair mechanism 14

15 Cella Litio - ione Composti ad intercalazione Elettrodo: necessità di elevata area superficiale Materiali nanometrici e/o porosi Limite intrinseco del materiale: Scarsa conducibilità elettronica Aggiunta di carbonio Conducibilità ionica Elettrolita liquido Elettrolita polimerico alta mobilità ioni litio alta sicurezza! 15

16 Un esempio: LiFePO4 Materiale catodico Sicuro A basso impatto ambientale Basso costo Elettrochimica applicazioni 16

17 Modello schematico di crescita dendritica Lithium Cathode Lithium Neutral lithium SEI layer e- Dead lithium SEI layer morphology after charge of pre-cycling Capacity loss / Low safety Elettrochimica applicazioni Short-circuit 17

18 Cu collettore di corrente Grafite anodo Al collettore di corrente Separatore Elettrochimica applicazioni LiMO2 catodo 18

19 cell assembly Catodo Separatore Anodo Elettrochimica applicazioni 19

20 Cella Litio - ione 20

21 Cella Litio - ione 21

22 Batterie per autoveicoli 22

23 Vantaggi delle batterie Litio ione e Li polimero e definizioni Alta densità di energia : l energia erogata dal generatore riferita all unità di massa o di volume dello stesso. Quanta energia può essere trasferita come lavoro elettrico per far funzionare l utilizzatore. Dipende dalla quantità di carica (n. di elettroni) e da V. Usualmente viene data in Wh/kg o in Wh/L. Alto potenziale: Sistemi al litio circa 3.7 V Nichel metallo idruro circa 1.2V batteria al Pb 2 V Alta Potenza specifica: l energia erogata in un certo tempo dal generatore riferita all unità di massa o di volume dello stesso. Indica quanta energia può essere trasferita come lavoro elettrico istantaneamente. Più è alta I e maggiore è V più la potenza è grande. Usualmente viene data in W/kg o in W/L. No effetto memoria 23

24 Alcuni accumulatori oggi confronto al piombo VRLA Ni/Cd Ni/MH A ioni di litio densità di en. (Wh/L) costo/kwh tensione (V) en. spec. (Wh/kg) numero di cicli 24

25 Applicazione MODELLO TIPO DI VEICOLO COSTRUTTOR E CORPO VETTURA PROPULSIONE ELETTRIFICAZI ONE DISTRIBUZION EE ASSISTENZA EMISSIONI FIAT PANDA ELETTRICA EnerMove Berlina/Van (2 posti) FIAT Elettrica ECOLORI ECOLORI ZERO PRESTAZIONI A PIENO CARICO Velocità massima Accelerazione 110 km/h 5 sec. (0-30 km/h); 7 sec. (0-50 km/ h) 25% Pendenza max superabile allo spunto Autonomia max su percorso urbano 120 km Autonomia alla velocità costante di 135 km 50 km/h Consumo da rete su percorso 0,18 kwh/km urbano Consumo da rete a velocità 0,16 kwh/km costante di 50 km/h Consumo da rete in carica 0,22 kwh/km BATTERIE TRAZIONE Costruttore e tipo ECOLORI Numero di accumulatori 3 Tensione nominale totale 207 V Capacità C5 20 Kwh Peso totale 120 KG CARICA BATTERIE Costruttore e tipo ECOLORI Carica batterie a bordo Alimentazione Monofase, Vcc, 3,2 kw Modalità di ricarica 10 A Tempo di carica con batteria da 6 a 8 ore scarica Corrente max assorbita dalla rete Max 10 A Peso 7 kg 25 MOTORE Costruttore e tipo ECOLORI

26 City car Pininfarina B0 in collaborazione con Bolloré, "esperta" in batterie ai polimeri di litio. Da 0 a 50 km/h in 4,9 secondi; 130 km/h di velocità massima. In più un'autonomia di 250 km. 26

27 27

28 Fuel cell Recente interesse nelle celle a combustibile l'accumulo dell'anidride carbonica e di altri gas serra sta provocando un riscaldamento globale della terra. inquinamento dovuto alla combustione dei combustibili fossili soprattutto nel campo dei trasporti. risposte ottenibili da questa tecnologia Le celle a combustibile possono operare ad emissioni inquinanti zero. Autoveicoli e motoveicoli, industriali e per uso personale, mossi da sistemi a cella a combustibile assicurano la completa assenza di emissioni inquinanti (sistemi puri a H2/O2) o una riduzione di più del 50% (sistemi ibridi e sistemi puri a Idrocarburi/O2). Le fuel cell, nella loro forma standard, non necessitano di nessun combustibile fossile per funzionare. 28

29 1839 Sir William Grove Fuel cell H2 + 1/2 O2 (b) (a) H2O corrente prodotta molto bassa Elettrochimica applicazioni 29

30 Fuel cell Reazioni: Anodo: H2 2H+ + 2e Catodo: ½O2 + 2 e + 2H+ 2H2O Unico prodotto di reazione 30

31 Fuel cell Bassa velocità di reazione Per aumentare la velocità di reazione: aumentare la temperatura aumentare la superficie elettrodica usare un catalizzatore 31

32 Fuel cell

33 Fuel cell Caratteristica tipica: bassa fem La fem è circa 1.2 V stack Al passaggio della corrente, la ddp è circa 0.7 V Celle in serie Stack da 20 celle Potenza 500W Tensione 20V I = 500/20 =25 A 33

34 auto ad Idrogeno 34

35 35

36 Elettrochimica applicazioni 36

37 Fuel cell auto ad Idrogeno: rifornimento Stazione di rifornimento di idrogeno ad alta pressione (fino a 850 bar) Rifornimento di idrogeno liquido 37

38 La filiera dell idrogeno 38

39 Distribuzione: 39

40 40

41 elettrolita Elettrochimica applicazioni 41

42 elettrolita Elettrochimica applicazioni 42

43 Tipologia di fuel cells Temperatura di lavoro Combustibile Applicazioni Efficienza elettrica PEMFC: Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cells C H2, gas riformati Sistemi elettronici portatili, generazione energia mobile e stazionaria, auto e navi 40-60% MCFC: Molten Carbonate Fuel Cells C H2, gas riformati Generazione distribuita di potenza (grandi potenze) 45-55% SOFC: Solide Oxides Fuel Cells C H2, gas riformati Generazione di energia mobile e stazionaria, auto e navi, generazione distribuita di potenza (per grandi potenze) 45-60% DMFC: Direct Methanol Fuel Cell C Metanolo Sistemi elettronici portatili, Generazione energia mobile e stazionaria (piccole e medie potenze) 40-60% AFC: Alcaline Fuel Cells C H2 puro Generazione energia mobile e stazionaria 60% PAFC: Phosphoric Acid Fuel Cell C H2, gas riformati Auto e navi (medie potenze) 40-50% 43

44 Fuel cell Cella a elettrolita alcalino 44

45 Piastra bipolare Fuel cell MEA (Membrane-Electrode Assembly) 45

46 Cella al Ni - Cd Cd(s) KOH (aq) NiOOH (s) All anodo ( ): Cd + 2OH Cd(OH) 2 + 2e Al catodo (+): 2NiOOH + 2H2O + 2e 2Ni(OH) 2 + 2OH Reazione complessiva: scarica Cd + 2NiOOH + 2H2O Cd(OH)2 + 2Ni(OH)2 carica Tensione di cella: 1,3 V Energia specifica teorica: 244 Wh/kg Energia specifica pratica (scarica lenta): Wh/kg Potenza specifica (per tempi brevi): 450 W/kg Vita (n. di cicli): fino a

47 Cella al Ni - Cd Elettrodi a pasta M. a. pos.: inserzione del protone e formazione di Ni(OH)2 Elettrochimica applicazioni 47

48 Accumulatore Ni - idruri metallici NiOOH(s) KOH(aq) MH(s) All anodo ( ): MH + OH M + H 2O + e Al catodo (+): NiOOH + H2O + e Ni(OH) 2 + OH Reazione complessiva: scarica MH + NiOOH M + Ni(OH)2 carica Tensione di cella: 1,3 V Energia specifica teorica: 278 Wh/kg Energia specifica pratica (scarica lenta): 65 Wh/kg Potenza specifica (per tempi brevi): 200 W/kg Vita (n. di cicli): Elettrochimica applicazioni 48

49 Accumulatore Ni - idruri metallici scarica carica ma pos: inserzione del protone e formazione di Ni(OH)2 ma neg: intercalazione atomo di H Elettrochimica applicazioni 49

50 Accumulatore Ni - idruri metallici Problemi: instabilità di LaNi5 aumentata autoscarica: 2NiOOH + H2 2Ni(OH)2 Vantaggi: stessi di Ni - Cd basso impatto ambientale Elettrochimica applicazioni 50

51 Elettrolisi Trasformazione di energia elettrica in energia chimica Reazione NON spontanea = e= H+ + - = Cl- rid: 2H+ + 2e H2 Ox: 2ClCl2 + 2e Elettrochimica applicazioni 51

52 Pila Daniell =SO42- - Zn + Cu Trasformazione spontanea di energia chimica in energia elettrica Cu Elettrochimica applicazioni 2+ (aq) + Zn(s) Cu(s) + Zn (aq)

53 Capacità: quantità di elettricità, espressa in Ah, che la batteria è in grado di erogare durante la scarica a corrente costante. Indica quanta carica (n. di elettroni) è versata nell utilizzatore a circuito chiuso. Più velocemente la verso (maggiore è la I) più ne spando in giro cioè meno ne va nell utilizzatore Energia specifica: l energia erogata dal generatore riferita all unità di massa o di volume dello stesso. Usualmente viene data in Wh/kg o in Wh/L. Quanta energia può essere trasferita come lavoro elettrico per far funzionare l utilizzatore Dipende dalla quantità di carica (n. di elettroni) e da V Potenza specifica: energia erogata in un certo tempo riferita alla massa o al volume dello stesso. Viene espressa in W/kg o in W/L. Indica quanta energia può essere trasferita come lavoro elettrico istantaneamente. Più è alta I e maggiore è V più la potenza è grande 53

54 54

55 Il futuro per l autoveicolo? Dati novembre