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X energia 3
Sistema di accumulo: batteria energia energia 4
Sistema di accumulo : Idrogeno Conversione dell energia chimica in energia elettrica ene r gia energia Processo non spontaneo Processo spontaneo
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
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
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
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
Sistemi di accumulo dei energia: La storia: Batterie al Piombo Oggi: sistemi al Litio e Litio-ione Futuro: Celle a combustibile 10
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
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
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
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
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
Un esempio: LiFePO4 Materiale catodico Sicuro A basso impatto ambientale Basso costo Elettrochimica applicazioni 16
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
Cu collettore di corrente Grafite anodo Al collettore di corrente Separatore Elettrochimica applicazioni LiMO2 catodo 18
cell assembly Catodo Separatore Anodo Elettrochimica applicazioni 19
Cella Litio - ione 20
Cella Litio - ione 21
Batterie per autoveicoli 22
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
Alcuni accumulatori oggi confronto al piombo VRLA Ni/Cd Ni/MH A ioni di litio 2.0 1.2 1.2 3.7 35 50 90 165 densità di en. (Wh/L) 80 170 330 330 costo/kwh 50 200 200 500 200 600-1000 300-500 500 tensione (V) en. spec. (Wh/kg) numero di cicli 24
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, 160 220 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
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
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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
1839 Sir William Grove Fuel cell H2 + 1/2 O2 (b) (a) H2O corrente prodotta molto bassa Elettrochimica applicazioni 29
Fuel cell Reazioni: Anodo: H2 2H+ + 2e Catodo: ½O2 + 2 e + 2H+ 2H2O Unico prodotto di reazione 30
Fuel cell Bassa velocità di reazione Per aumentare la velocità di reazione: aumentare la temperatura aumentare la superficie elettrodica usare un catalizzatore 31
Fuel cell
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
auto ad Idrogeno 34
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Elettrochimica applicazioni 36
Fuel cell auto ad Idrogeno: rifornimento Stazione di rifornimento di idrogeno ad alta pressione (fino a 850 bar) Rifornimento di idrogeno liquido 37
La filiera dell idrogeno 38
Distribuzione: 39
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elettrolita Elettrochimica applicazioni 41
elettrolita Elettrochimica applicazioni 42
Tipologia di fuel cells Temperatura di lavoro Combustibile Applicazioni Efficienza elettrica PEMFC: Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cells 60-80 C H2, gas riformati Sistemi elettronici portatili, generazione energia mobile e stazionaria, auto e navi 40-60% MCFC: Molten Carbonate Fuel Cells 600-650 C H2, gas riformati Generazione distribuita di potenza (grandi potenze) 45-55% SOFC: Solide Oxides Fuel Cells 800-1000 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 90-130 C Metanolo Sistemi elettronici portatili, Generazione energia mobile e stazionaria (piccole e medie potenze) 40-60% AFC: Alcaline Fuel Cells 60-120 C H2 puro Generazione energia mobile e stazionaria 60% PAFC: Phosphoric Acid Fuel Cell 160-200 C H2, gas riformati Auto e navi (medie potenze) 40-50% 43
Fuel cell Cella a elettrolita alcalino 44
Piastra bipolare Fuel cell MEA (Membrane-Electrode Assembly) 45
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): 32-35 Wh/kg Potenza specifica (per tempi brevi): 450 W/kg Vita (n. di cicli): fino a 3000 46
Cella al Ni - Cd Elettrodi a pasta M. a. pos.: inserzione del protone e formazione di Ni(OH)2 Elettrochimica applicazioni 47
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): 300-600 Elettrochimica applicazioni 48
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
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
Elettrolisi Trasformazione di energia elettrica in energia chimica Reazione NON spontanea = e= H+ + - = Cl- rid: 2H+ + 2e H2 Ox: 2ClCl2 + 2e Elettrochimica applicazioni 51
Pila Daniell =SO42- - Zn + Cu Trasformazione spontanea di energia chimica in energia elettrica Cu Elettrochimica applicazioni 2+ (aq) + Zn(s) Cu(s) + Zn 2+ 52 (aq)
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
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Il futuro per l autoveicolo? Dati novembre 2006 55