Celle a combustibile per un'energia nel rispetto dell'ambiente: sfida o realtà?

Documenti analoghi
Capitolo 4 FUEL CELLS

ELETTROCHIMICA APPLICATA: LE CELLE A COMBUSTIBILE AD IDROGENO

IMMAGAZZINARE ENERGIA: GLI ACCUMULATORI ELETTROCHIMICI Prof. Nerino Penazzi

FONTI DI ENERGIA. Fonti energetiche primarie. Fonti energetiche secondarie. sostanza o fenomeno capace di dar luogo ad una liberazione di energia

SISTEMI ELETTROCHIMICI

Dipartimento Energia Politecnico di Torino

configurazione in un sistema) Grandezza fisica connessa al movimento reale o potenziale, macro o microscopico, di un sistema

Europa stanziamento iniziale di 470 milioni L'obiettivo è chiaro: lanciare in commercio le automobili a idrogeno nel decennio

Parte 1 - La questione energetica. Parte 2 - L energia nucleare come fonte energetica: fissione e fusione

Tipologie di celle a combustibile

Quadro dei consumi energetici

Taglia i costi Dimezza le emissioni

Uno studio comparativo delle emissioni e del bilancio energetico di varie combinazioni fuel-powertrain per mobilità privata

Celle a combustibile Fuel cells (FC)

PROSEGUI LA LETTURA!

Alma Mater Studiorum - Università di Bologna STUDIO DELL APPLICAZIONE DI UN SISTEMA ALIMENTATO AD IDROGENO PER UN SOLLEVATORE AUTOPROPULSO

Impianti di produzione dell energia elettrica

INDAGINI SULLE TECNOLOGIE DELL IDROGENO QUALE VETTORE ENERGETICO PER L ACCUMULO

Verso la commercializzazione di Celle a Combustibile per applicazioni nei trasporti, stazionarie e portatili Giovanni Dotelli

Le fonti di energia rinnovabile

Il progetto H 2 ydrogem: verso un futuro a zero emissioni. Ancona, 27 settembre 2013

idrogeno Laboratorio Sensori e Semiconduttori Dr. Marco Stefancich Gruppo Sensori e Semiconduttori Dipartimento di Fisica/CNR Università di Ferrara

Progetto macchina con tetto fotovoltaico

Cos è una. pompa di calore?

LE FONTI RINNOVABILI ED IL LORO UTILIZZO. APPLICAZIONI NEL CAMPUS DI FISCIANO

Le tecnologie disponibili per la. in Italia. Antonio Peretto Università di Bologna. Antonio Peretto

NAOHG LIVING WATER

ENERGIE RINNOVABILI PRESENTAZIONE DI: BUSSETTI TAGLIABUE

Cogenerazione: tecnologie a confronto

Veicoli elettrici ricaricabili da rete: sfide e opportunità da cogliere

Idea Progetto FLAHY. First Laboratory in Alps for Hydrogen. Ing. Giovanni Pino -Dr. Francesco Geri-Ing. Solaria Venga-Ing.

FORUM BIOEDILIZIA E RISPARMIO ENERGETICO ING. LUCIANO ACETI

Lo scenario energetico in Italia

Energia e ambiente: sviluppo sostenibile. Prof. Ing. Sergio Rapagnà Facoltà di Agraria Università degli Studi di Teramo

ALTRE MODALITA DI PRODUZIONE DI ENERGIA

L energia che consumo. Fabio Peron. Combustione. Aria di combustione. Combustione

TITOLO. BUILDING A LOW CARBON FUTURE TOGETHER Caprarola, 12 giugno 2015

NORDOVEST. energie rinnovabili ONTI ENERGETICHE

Celle a combustibile, la rivoluzione parla italiano con SOLIDpower

Istituto Tecnologie Avanzate per l Energia Nicola Giordano Messina

Come funziona una centrale a ciclo combinato? Aggiungere l immagine sotto e fare un mix dei due testi di spiegazione del funzionamento

L'ENERGIA PRIMARIA CONSUMATA DA UN EDIFICIO: FATTORI DI CONVERSIONE

Requisiti di installazione EnGen TM -2500

Ritorno all'energia nucleare. Una scelta sbagliata per l'italia

LE ENERGIE RINNOVABILI

CARETE Carbon Reduction TEchnologies

SIDERA 30 un applicazione delle celle a combustibile nella cogenerazione ad uso civile

PMI Day 2015 Quinta Giornata Nazionale delle Piccole e Medie Imprese 13 novembre Centrale Turbo Gas di Gissi

IDROGENO IN PRATICA. del gruppo degli allievi del Volta. Laboratorio di chimica I.T. I. Volta

Università degli Studi di Bologna. FACOLTA DI INGEGNERIA Corso di Laurea in Ingegneria Meccanica Disegno Tecnico Industriale

TECNOPOLO TALKS Il Tecnopolo della provincia di Ravenna si racconta

SEMINARIO RIS-TEC SERVIZIO OSSERVATORIO SULLE TECNOLOGIE UTILIZZO CO 2. Ing. Giovanni Pino Responsabile Settore Innovazione Tecnologica

GENERAZIONE DISTRIBUITA COGENERAZIONE NEL SETTORE INDUSTRIALE

Colora tu l avventura Alla scoperta dell energia

Mobilità sostenibile e Trazione elettrica. Relatore Ing. Antonio Del Sole

Cristiana Viti. CENTRO NAZIONALE PER LE ENERGIE RINNOVABILI di Legambiente

Sostenibilità energetica e ambientale

IL SISTEMA DRY TECNOCLIMA. i perchè di una tecnologia che ti conviene!

Impianti di COGENERAZIONE

GAS NATURALE O METANO

Energia. RSA Provincia di Milano. Energia

BERICA IMPIANTI SPA- COGENERAZIONE

TECNOLOGIE DELLE ENERGIE RINNOVABILI. Introduzione

Aspetti energetici associati alle reazioni chimiche: Dalle pile chimiche alle celle a combustibile

STORIA/GEOGRAFIA LE RISERVE DI MINERALI: PAESI DETENTORI, PRODUTTORI E CONSUMATORI.

ENERGIA e CLIMA fonti, usi ed emissioni. ENERGIA ELETTRICA di LUCA TARTARI

STABILIMENTO DI TARANTO. Febbraio Allegato D10

Id I r d o r g o e g no n o & Fo F t o ov o o v l o t l aic i o Pi P e i ra r ng n e g lo l o T e T rr r e r ni n Idrogeno

LA GESTIONE SOSTENIBILE DELLE RISORSE NATURALI IN EUROPA. Silva Marzetti

QUIZ LEZIONE n. 3 LE ENERGIE RINNOVABILI 1

GREEN ENERGY ISLAND: la soluzione

La gestione delle risorse energetiche Ing. Maurizio Vaccaro, PhD Ingegneria Senza Frontiere Pisa ONLUS isf-pisa.org

MICRO-COGENERAZIONE tecnologie e vantaggi delle fuel cell

Il ruolo delle pompe di calore nel futuro contesto energetico. Ennio Macchi Dipartimento di Energetica - Politecnico di Milano

L Italia delle fonti rinnovabili

Comune di Arese Agenda 21 Locale. Arese, città sostenibile

Introduzione. Fonte: European Energy & Transport - Trends to 2030

COME SI SONO PRODOTTE? Tutte le fonti di energia rinnovabili ed esauribili, oggi a nostra disposizione si sono generate dal sole.

Efficienza energetica negli edifici

Gestione dei segnali analogici nei sistemi di automazione industriale con PLC.

Energia nelle reazioni chimiche. Lezioni d'autore di Giorgio Benedetti

Le fonti rinnovabili in Italia e le loro problematiche. Domenico Coiante

Auto, moto, scooter, biciclette, urban mobility elettrici e ibridi, la mobilità è ad una svolta!! Ma cosa sono e come funzionano?

Dispositivo di conversione di energia elettrica per aerogeneratori composto da componenti commerciali.

intervento introduttivo della giornata

Tali fluidi, utilizzati in prossimità del punto di produzione, o trasportati a distanza, possono essere utilizzati per diversi impieghi:

Per lo sviluppo del teleriscaldamento: l acqua di falda come fonte energetica.

Convegno sull uso razionale dell energia e risparmio energetico

IMPIANTI DI CLIMATIZZAZIONE

Genova TIPOLOGIE DI LAMPADE

TOTEDA FRANCESCO 2 OPA

tecnologia che migliora il mondo

Metodologia. 5 rapporto sull energia

Fabbisogno di energia elettrica in Spagna

PROSPETTIVE DELLE TECNOLOGIE ENERGETICHE MONDIALI 2050 (WETO-H2) MESSAGGI FONDAMENTALI

MIGLIORA LA TUA ENERGIA EFFICIENZA E RISPARMIO

BESST C.O.P. ~ 4,6 SERIE PECULIARITÀ. - Funzionamento invernale garantito fino a -15 C. con gas refrigerante ecologico R410A

Energia e Fonti Rinnovabili. Un esempio di risparmio energetico: la produzione distribuita di energia elettrica

EFFICIENZA ENERGETICA COGENERAZIONE. Generalità, aspetti tecnici e normativi, case history

La gassificazione delle biomasse legnose: una possibile alternativa alla semplice combustione. L. Tomasi

Transcript:

Celle a combustibile per un'energia nel rispetto dell'ambiente: sfida o realtà? Prof. Paolo Spinelli POLITECNICO DI TORINO Dipartimento di Scienza dei Materiali e Ingegneria Chimica 13 Ottobre 2008, Cuorgnè

??????

Fonti vettori utilizzo Carbone Petrolio Gas naturale Energia nucleare Energia idraulica Energia eolica Energia solare Energia geotermica Biomasse Impianti di produzione Elettricità Derivati dal petrolio: combustibili e carburanti Acqua calda Idrogeno, syngas Linee di trasporto Trasporti Abitazioni Industria Altri Macchine Dispositivi

Processi naturali Attività dell uomo Energia e lavoro Trasportabilità Fonti energetiche Industrializzazione Limitatezza delle risorse Combustibili Ambiente Sostenibilità

Da dove viene Quanta energia Petrolio Gas naturale Carbone Biomasse Idroelettrica Nucleare Eolico, solare Consumo di energia Gtep 12 10 8 6 3,96 2,31 0,78 1,17 0,24 0,71 0,06 4 2 0 1920 Dove va 1940 1960 1980 2000 Anno 1 tep = 10.000.000 kcal = 11.628 kwh 2020 Trasporti Abitazioni Industria Altro 2,60 3,79 4,05 0,76

La rete di trasmissione ha anche la funzione di interconnettere i centri di produzione non solo nazionali ma anche transnazionali al fine di ottimizzare la produzione. Il consumo energetico non è infatti costante, ma cala notevolmente durante le ore notturne, ma mentre alcune centrali possono essere portate a regimi di produzione inferiori (es. le centrali idroelettriche), per altre non è possibile. Grazie alla rete di trasmissione è possibile riallocare le risorse riducendo gli sprechi energetici. Alcuni impianti idroelettrici inoltre sono reversibili, possono cioè sollevare acqua dal bacino inferiore a quello superiore durante la notte per accumulare energia prodotta da altre centrali, ricevuta attraverso la rete.

rinnovabili 4000. biomasse 77 165 Fabbisogno energia primaria, Mtep/anno 3500 62 233 3000 2500 2000 16 90 946 232 nucleare 452 gas 105 petrolio 250 carbone 904 57 651 147 8 65 1500 1000 52 84 idrica 1478 146 33 32 26 404 251 649 389 1079 37 20 648 500 578 398 672 0 2002 743 2030 Nord America 6 108 114 172 10 13 25 60 367 1718 216 452 303 274 196 221 2002 2030 2002 2030 Unione Europea 15 20 OECD Asia e Oceania 893 2002 2030 Cina e India 63

I fabbisogni energetici fino al 2030 cresceranno dell 1,7% all anno aumentando di 2/3 il livello attuale e passando da circa 10 Gtep a 15,3 Gtep. I combustibili fossili copriranno il 90% dei fabbisogni Il consumo di petrolio crescerà di circa l 1,6% all anno, passando da 75 Mb/d nel 2000 a 120 Mb/d nel 2030. Il 75% di questa richiesta proverrà dai trasporti. Il consumo di NG raddoppierà passando dal 23% al 28% del mix energetico. Si prevede che il 60% sarà utilizzato per produzione di energia elettrica in cicli combinati vapore-turbina a gas

I consumi di carbone aumenteranno meno. I principali consumatori saranno Cina e India. L utilizzazione di energia nucleare diminuirà passando in termini di energia primaria dal 7% al 5%. (per la quota relativa all energia elettrica dal 17% al 9%). I dati sul futuro sono incerti Le energie rinnovabili sono quelle che si espanderanno di più. Tra esse al primo posto rimane l energia idroelettrica mentre le altre fonti (solare, vento, maree) cresceranno del 3,3 % all anno Al 2030 il contributo delle RES rimarrà comunque sempre minimo (da 2 a 6 giorni di copertura)

Italia - Domanda di fonti primarie 2001-2030 carbone petrolio gas biomasse idraulica rinnovabili 250 9.3 4.3 200 19 4 3.4 2.5 150 58.1 95 86.5 60.4 13.4 23 2001 2030 100 50 0 Anno

GENERALITA SULLE FUEL CELLS Le pile a combustibile o fuel cells sono generatori elettrochimici particolari. Per essi i reagenti, allo stato fluido, vengono riforniti alla cella in modo continuo da serbatoi esterni alla cella stessa, contemporaneamente vengono eliminati gli eventuali prodotti della reazione. In questo modo la produzione di energia elettrica dipende dalla quantità di combustibile che viene inviato alla cella.

Pile Gen. primari Primary Batteries Accumulatori Gen. secondari Storage Batteries Ie - + R P Ie - + R - P R scarica Pile a combust. Celle a combust. Fuel Cell R Ie + P carica Ie + P

Le pile a combustibile possono produrre energia con buona efficienza di conversione, conversione con semplicità di funzionamento e con elevata energia specifica. specifica Si tratta quindi di sistemi elettrochimici con grandi potenzialità di sviluppo, per i quali uno dei maggiori problemi è costituito dal costo dei materiali e in particolare dei catalizzatori, indispensabili per assicurare la velocità delle reazioni elettroniche. Per questo motivo, le pile a combustibile non hanno di fatto ancora trovato una vera diffusione commerciale.

Le Fuel Cell hanno la potenzialità contribuire alla riduzione dell'utilizzo di combustibili fossili. Trasporti: possono parzialmente sostituire i motori a combustione interna. FC a idrogeno (stoccato a bordo) con strutture di rifornimento. Applicazioni stazionarie: possono essere impiegate in applicazioni stazionarie (distribuite), di energia ausiliaria, di energia portabile. basate su reforming di gas naturale, GPL o altri combustibili liquidi (rinnovabili). Per piccole applicazioni di elettronica di consumo sono proponibili celle a metanolo.

Gli obiettivi dei programmi DOE al 2011 considerano Per il trasporto: FC a H2 con efficienze del 60%, di lunga durata, con costi inferiori a 50 $/kw. Per applicazioni stazionarie distribuite: celle PEM alimentate con gas naturale o con GPL, che abbiano un'efficienza del 40%, una durta di 40.000 h e un costo di 750 $/kw. Elettronica di consumo (<50W): energia specifica di 1000 Wh/l. Unità ausiliarie (3-30 kw): potenza specifica di 100 W/ kg (100 W/l).

Una Fuel Cell (Cella a Combustibile) è un dispositivo elettrochimico in grado di trasformare l energia chimica di una reazione direttamente in energia elettrica. elettrica R P H2 + ½O2 H2O G = GP GR < 0

Energia e reazioni chimiche R P G = H T S G + zfe = 0 E = G/zF G H T S εi = = rendimento termico H H VzF VIt εe= = = ε V ε I rendimento energetico G EI mt Potenza termica scambiata T S Q = I+ zf η I + RI 2 W Q

Come per gli altri generatori elettrochimici la reazione avviene in un sistema composto da due elettrodi (conduttori elettronici) e da un elettrolita (conduttore ionico). La caratteristica di sistema eterogeneo multi-fase consente la separazione degli elettroni che fluiscono nei conduttori elettronici dagli ioni che si muovono invece nel conduttore ionico (elettrolita). Il processo elementare alla base di questa separazione dà luogo alle reazioni elettrochimiche.

PEMFC da 3,5 kw

Sfide da affrontare per la commercializzazione Costi e durata. Tolleranza alle impurità. Le dimensioni e i pesi, anche se ci si è avvicinati agli obbiettivi, devono essere ridotti. Per le PEM occorre semplificare la gestione dell'umidificazione e risolvere il problema delle basse temperature (congelamento).

Fuel Cell Elettrolita A membrana protonica PEMFC Nafion Acido polyperfluorosolfonico Alcaline AFC Soluzione di KOH Acido fosforico PAFC T C 50 100 Potenza Rendimento <1kW250kW 53-58% Trasporti 25 35% stazionarie Applicazioni Vantaggi Svantaggi Energia di riserva Sist. Portatili Veicoli Piccola generazione distribuita Bassa temperatura Start-up rapido Catalizzatori costosi Sensibile alle impurezze Non adatta per CHP Militari spaziali Reazione catodica veloce Alte prestazioni Rimozione CO2 90 100 10kW100kW 60% Acido fosforico 150 200 50kW1MW 32-38% Energia di riserva Sist. Portatili Veicoli Piccola generazione distribuita Buona efficienza con CHP Tolleranza alle impurità Catalizzatori al Pt Bassa potenza specifica Carbonati fusi MCFC Miscela di carbonati fusi Li, Na, K 600 700 <1kW1MW 45-47% Generazione distribuita Alta efficienza Flessibilità di combustibile Adatta a CHP Corrosione dei componenti Gestione elettrolita Start-up lento Ossidi solidi SOFC Zirconia drogata con Yttria 650 1000 5kW3MW 35-43% Energia ausiliaria Generazione distribuita Alta efficienza Flessibilità di combustibile Adatta a CHP Ciclo ibrido con TG Materiali Start-up lento Fragilità dell elettrolita ai cicli termici

Celle singole formano uno stack, da cui moduli di potenza maggiore ed impianti di grande potenza, ottenuti sommando più moduli

Celle a bassa T a elettrolita polimerico PEFC, PEMFC