TITOLO:
ENERGIA ELETTRICA IN LATTINA
Sommario
1
INTRODUZIONE .......................................................................................................................................... 1
2
PRINCIPIO DI FUNZIONAMENTO ............................................................................................................... 2
3
IL PROCESSO DELL'ELETTROLISI ................................................................................................................. 3
5
ELETTROLISI DELL'ACQUA .................................................................................................................. 3
3.2
ESPERIMENTO CONDOTTO ................................................................................................................ 3
3.3
ELETTROLISI AD ALTA TEMPERATURA ............................................................................................... 4
FUEL CELL ................................................................................................................................................... 5
4.1
FUNZIONAMENTO ............................................................................................................................. 5
4.2
SISTEMI IN STACK .............................................................................................................................. 6
4.3
PEMFC (Proton Exchange Membrane Fuel Cell)................................................................................ 6
4.4
VANTAGGI DELLE FUEL CELL .............................................................................................................. 7
4.5
SVANTAGGI DELLE FUEL CELL ............................................................................................................ 7
4.6
QUALI SCENARI PER IL FUTURO DELLE FUEL CELL ............................................................................. 7
PROGETTO ELETTRICO ............................................................................................................................... 8
5.1
INTRODUZIONE .................................................................................................................................. 8
5.2
SCHEMA A BLOCCHI........................................................................................................................... 8
5.2.1
I DISPOSITIVI DI PRODUZIONE ELETTRICA ................................................................................. 9
5.2.2
REGOLATORI DI TENSIONE ........................................................................................................ 9
5.2.3
CONTROLLORE LOGICO ........................................................................................................... 10
5.3
SCHEMA ELETTRICO ......................................................................................................................... 12
5.3.1
COMPONENTI UTILIZZATI ........................................................................................................ 14
5.3.2
CONSIDERAZIONI ..................................................................................................................... 14
6
BOZZA DI REALIZZAZIONE MODELLINO ................................................................................................... 14
7
CONCLUSIONI .......................................................................................................................................... 15
Sommario
4
3.1
1 INTRODUZIONE
Come futuri cittadini e come studenti di elettrotecnica, noi studenti della Fondazione Castellini a
seguito delle ricerche condotte abbiamo identificato il problema energetico come parte
fondamentale del nostro futuro. L’energia elettrica è un bene prezioso, che purtroppo ha delle
modalità di immagazzinamento molto costose e per nulla efficienti.
Capitolo: INTRODUZIONE
Infatti, al giorno d’oggi, le centrali elettriche hanno una capacità produttiva tale da soddisfare i
picchi di consumo elettrico della popolazione. Ciò avviene principalmente nella fascia diurna
poiché c'è una maggiore operatività produttiva. Nella fascia notturna, invece, si tende a produrre
molta più energia elettrica di quanta possa servirne. Sebbene un parte venga riutilizzata, gran
parte di questa energia in eccesso viene dispersa.
Un danno, per l'ambiente e per l'economia, rilevante che si cerca di compensare proponendo
tariffe energetiche diversificate tra il giorno e la notte.
Per questo motivo abbiamo condotto il nostro progetto concentrandoci su un possibile "vettore"
di energia. Un vettore che sia possibile produrre con l'energia elettrica in eccesso, che sia possibile
stoccare e che ci permetta di riutilizzarlo per produrre energia.
In seguito ad una ricerca approfondita abbiamo identificato l'idrogeno come una possibilità che
garantisca un certo livello di efficienza sia produttiva che ambientale.
1
2 PRINCIPIO DI FUNZIONAMENTO
L’impianto che abbiamo studiato e realizzato in scala, prevede che l'energia elettrica inutilizzata
venga recuperata ed impiegata in un processo che consente la produzione di due gas, idrogeno ed
ossigeno. Questo processo si chiama elettrolisi e consente di scindere le molecole dello acqua
(H2O) e trasformarle nei due gas. Successivamente questi verranno stoccati per poter poi essere
ricombinati con l'ausilio di una Fuel Cell (batteria a combustibile). Quest'ultima permetterà di
produrre energia elettrica pulita rilasciando come scarto, semplice e pura acqua distillata.
Di seguito una schema che riassume il processo di recupero.
Energia prodotta da fonti
rinnovabili
Utilizzo
Richiesta di energia
elettrica
Eccesso
Elettrolisi
Conservazione
Necessità
Fuel Cell
Utilizzo
Capitolo: PRINCIPIO DI FUNZIONAMENTO
Stoccaggio idrogeno
ed ossigeno
2
3 IL PROCESSO DELL'ELETTROLISI
3.1 ELETTROLISI DELL'ACQUA
Tutti sanno che la formula chimica dell’acqua è H2O, il che significa che una molecola d’acqua è
composta da due atomi di idrogeno ed un atomo di ossigeno. Tutti dovrebbero anche sapere che è
possibile scomporre l’acqua nei suoi costituenti ricorrendo alla corrente elettrica.
Prima di tutto una premessa: l’acqua pura contiene, in piccolissima quantità, ioni positivi H+, in
pratica atomi di idrogeno che hanno perso un elettrone e quindi hanno carica elettrica positiva e
ioni OH-. Dato che la corrente elettrica si propaga nell’acqua grazie al movimento degli ioni e che
nell’acqua distillata gli ioni sono pochissimi ne consegue che l’acqua completamente priva di sali in
soluzione è una cattiva conduttrice di corrente elettrica, la presenza di sali che si scompongono in
ioni aumenta moltissimo la conduttività, per questo motivo l’acqua di rubinetto, che contiene
diversi materiali in soluzione, è conduttrice.
3.2 ESPERIMENTO CONDOTTO
Per effettuare l’elettrolisi dell’acqua dovremo
allestire il semplicissimo dispositivo raffigurato qui
sopra.
Si prende una scatola o bacinella di materiale plastico
e si praticano sul fondo due fori, attraverso questi si
fanno passare i due elettrodi. Poiché l’ossigeno che si
libera nella reazione reagisce con quasi tutti i metalli
formando ossidi l’elettrodo al polo positivo si
consumerebbe rapidamente, per questo motivo negli
apparecchi professionali gli elettrodi sono fatti di platino o di un metallo ricoperto da platino, una
buona soluzione di ripiego è quella di usare due pezzi di mina per matita, il materiale con cui sono
costruite le mine, la grafite, è un buon conduttore e non è attaccato dall’ossigeno nascente.
Come fonte di corrente si usa una comune batteria da 4,5 volt
Si pone nel recipiente una certa quantità d’acqua cui è bene, per renderla più conduttiva,
aggiungere qualche goccia di soluzione di idrossido di sodio (NaOH). Si riempiono d’acqua le due
provette e poi, tenendo l’apertura tappata con un dito, si capovolgono, si immergono le estremità
con l’apertura nell’acqua contenuta nel recipiente e poi si posiziona ciascuna provetta in modo che
ognuna abbia all’interno un elettrodo. Si collegano i due elettrodi alla pila.
All’interno delle provette cominceranno a formarsi delle bollicine di gas che andranno a
raccogliersi nella parte superiore spingendo giù l’acqua. Se si aspetta un po’ di tempo si vedrà che
il volume del gas che si è formato nella provetta collegata al polo negativo (Idrogeno) è doppio di
quello formatosi nell’altra provetta (Ossigeno).
Capitolo: IL PROCESSO DELL'ELETTROLISI
Naturalmente i due fori, una volta inseriti gli elettrodi, saranno sigillati con del silicone o stucco in
modo che l’acqua non esca dal recipiente. Si farà in modo che, nella parte inferiore del recipiente,
la mina sporga per circa 1 cm per poter collegare i fili che vanno alla batteria.
3
3.3 ELETTROLISI AD ALTA TEMPERATURA
L'elettrolisi ad alta temperatura è economicamente più efficiente dell'elettrolisi tradizionale, a
temperatura ambiente, perché parte dell'energia viene fornita come calore, che è più economico
dell'elettricità, e perché la reazione elettrolitica è più efficiente ad alte temperature. Infatti a 2500
°C non è più necessaria l'energia elettrica, poiché l'acqua si scinde in idrogeno e ossigeno tramite
la termolisi. Tali temperature sono però impraticabili; i sistemi per l'HTE proposti operano con
temperature tra 100 °C e 850 °C.
Il miglioramento dell'efficienza in questo tipo di elettrolisi si apprezza di più se l'elettricità usata
viene da una macchina termica in modo da poter sfruttare entrambe le energie prodotte, sia
quella elettrica, sia quella termica.
Capitolo: IL PROCESSO DELL'ELETTROLISI
Per questo motivo ci orienteremo ad attuare il processo elettrolitico semplice, con la sola
eccezione di acquisire consapevolezza che supportare il processo elettrolitico con il riscaldamento
dell'acqua ( magari attraverso pannelli termosolari ) aumenti il rendimento dell'intero sistema
continuando ad usare fonti rinnovabili per preservare l'impatto ambientale.
4
4 FUEL CELL
4.1 FUNZIONAMENTO
Le Fuel Cell a combustibile sono dispositivi elettrochimici che convertono direttamente l'energia di
un combustibile. Esse sono composte da due elettrodi chiamati anodo e catodo di materiale
poroso separati da un elettrolita, simile a un foglio di carta con migliaia di buchi non visibili a
occhio nudo.
Le Fuel Cell funzionano facendo passare il combustibile cioè l’idrogeno attraverso questi tipi di
materiale. Cosi facendo l’idrogeno una volta passato si lega all’ossigeno formando vapore acqueo.
Hanno trovato applicazione nel campo dell'esplorazione spaziale, soltanto di recente anche in
settori consumer. Nel caso del settore automobilistico le Fuel Cell costituiscono la pila a
combustibile delle automobili elettriche. Il motore elettrico è alimentato dall'energia elettrica
prodotta dal sistema Fuel Cell.
Corrente Elettrica
Anodo
Uscita Acqua e
Vapore
Elettrolita
Catodo
Capitolo: FUEL CELL
Eccesso
Idrogeno
5
4.2 SISTEMI IN STACK
Siccome, come avviene per la pila, una singola cella riesce a generare solo una limitata e piccola
differenza di potenziale (d.d.p., misurata in Volt [V] ) e la corrente che passa è ben determinata (la
polarizzazione determina un ben preciso limite di prestazione), le fuel cell sono generalmente
collegate in serie e/o parallelo in modo tale da raggiungere il voltaggio (differenza di potenziale) e
l’intensità
di
corrente
(i,
misurata
in
Ampere
*A+)
desiderati.
Queste ultime sono chiamate stack.
4.3 PEMFC (Proton Exchange Membrane Fuel Cell)
La PEMFC usa una membrana ad elettrolita polimerico che conduce gli elettroni dall’anodo al
catodo. Il tipo di membrana più comune è la Dupont Nafion® che alla vista sembra un semplice
foglio di plastica semitrasparente. Le fuel cells PEM rispondono bene ai cambiamenti nel carico
elettrico rendendole molto adatte all’utilizzo nell’ambito dei trasporti leggeri, per la generazione
di energia elettrica per utilizzi domestici e nell’ambito della navigazione spaziale. Esse operano a
temperature abbastanza basse (70-85°C) e possono avviarsi e raggiungere metà della potenza
quasi immediatamente. La piena potenza di erogazione viene raggiunta in circa 3 minuti
(comunque molto lentamente in confronto alla erogazione istantanea della batterie tradizionali, o
dei motori a combustione).
Capitolo: FUEL CELL
La fuel cell ad elettettrolita polimerico (Proton Exchange Membrane Fuel Cell) è di gran lunga il
tipo di cella a combustibile più usato e sul quale viene investito il maggior sforzo in termini di
ricerca. I motivi sono dovuti in parte al fatto che attualmente tale tecnologia offre una densità di
potenza maggiore di un ordine di grandezza rispetto a qualsiasi altro tipo di fuel cell (con l’unica
eccezione della fuel cell alcalina ad uso avanzato in campo spaziale che raggiunge le stesse
prestazioni).
6
Una delle maggiori limitazioni è dovuto al costo elevato del platino o di simili catalizzatori che
devono essere usati sia al catodo che all’anodo. Allo stato attuale sono necessari 16.8 mg di
catalizzatore per kW di potenza. Grazie a notevoli sviluppi la quantità richiesta è passata a circa
0.98 mg per kW o, in termini di costo, 25 € al kW considerando i prezzi attuali. La densità di
potenza massima che attualmente si può raggiungere con le PEMFC commerciali (in genere sono
pile da 5 kW) è di circa 195 kW/m3 I ricercatori confidano nel limite prossimo raggiungibile di 490
kW/m3. Nel breve orizzonte temporale un sistema a fuel cell che include il combustibile, i
controlli, il sistema di raffreddamento e di rimozione dell’acqua prodotta operante a 3.1 bar
(pressione richiesta al fine di ottenere una ragionevole densità di potenza) potrà produrre circa 45
kW/ m3 e circa 90 W/kg. Come riferimento, un motore a benzina di un’ utilitaria raggiunge i 400
W/kg. L’efficienza dei sistemi di generazione di energia elettrica da combustibile per applicazioni a
fini pratici si aggira attorno a 35% - 45%. Molti reclamano il fatto che le prestazioni delle fuel cell
sono generalmente misurate in condizioni di laboratorio, senza considerare gli accessori.
L’efficienza attesa per un’automobile o un impianto alimentato da fuel cell è di circa 35%,
sicuramente meglio del rendimento degli attuali motori a benzina e diesel. A causa della bassa
temperatura di funzionamento delle celle a combustibile ad elettrolita polimerico si presenta il
problema di come disperdere il calore in eccesso.
4.4 VANTAGGI DELLE FUEL CELL
Le automobili Fuel Cell con impiego diretto di idrogeno sono a impatto ambientale basso o nullo
(Zero emissioni nocive). Dal tubo di scappamento di un'automobile Fuel Cell fuoriesce non escono
gas dannosi alla salute ma soltanto vapore acqueo. I vantaggi in termini di riduzione
dell'inquinamento dell'aria e di emissioni di CO2 sono notevoli.
4.5 SVANTAGGI DELLE FUEL CELL
L'idrogeno non è una fonte di energia ma bensì uno strumento. E' purtroppo solo un vettore. Non
esistendo libero in natura, perlomeno sulla Terra, deve essere prodotto mediante processi che a
loro volta implicano consumo di energia.
4.6 QUALI SCENARI PER IL FUTURO DELLE FUEL CELL
La prima via è quella delle automobili dotate di pile a combustibile con serbatoio di idrogeno che
alimenta direttamente le celle a combustione . Detti Zev (Zero emissioni nocive), ossia veicoli a
emissioni zero. Questi modelli implicano la presenza a bordo dell'idrogeno, il quale può essere
stoccato in tre modi alternativi:
idrogeno stoccato in forma liquida (molto difficile da ottenere visto che la temperatura da
raggiungere è di -250°);
idrogeno stoccato mediante spugne idruri-metalliche ( il metodo e buono ma per
comprimerla ci vorrebbero dei rulli troppo grossi e molto pesanti e sarebbe un costo
elevato);
Capitolo: FUEL CELL
idrogeno stoccato in forma compressa ad elevata pressione (pericoloso per il fatto che se
viene riscaldato troppo può esplodere);
7
5 PROGETTO ELETTRICO
5.1 INTRODUZIONE
Abbiamo cercato di progettare un circuito che ci permetta di usare l'idrogeno come vettore di
energia. Il circuito in questione, in bassa tensione, ci ha permesso di condurre un’esperienza
innovativa sulle fonti rinnovabili, ed è creato nell’ottica di non disperdere l’energia prodotta in
eccesso ma usarla per produrre idrogeno e ossigeno.
5.2 SCHEMA A BLOCCHI
PRODUZIONE ENERGIA
ELETTRICA
IMPIANTO CIVILE
REGOLATORE DI
TENSIONE
L'impianto è composto da 3 elementi:
I dispositivi di produzione elettrica
I regolatori di tensione
Il controllore logico
Capitolo: PROGETTO ELETTRICO
CONTROLLORE LOGICO
(PLC o Microcontrollore)
8
5.2.1 I DISPOSITIVI DI PRODUZIONE ELETTRICA
Turbina eolica
Capacità di potenza (velocità rotore di 2000 giri/min) 1 Watt
Voltaggio in uscita diretta (velocità rotore di 2000 giri/min) DC 10 Volt
Corrente in uscita diretta (velocità rotore di 2000 giri/min) 100 mA
Voltaggio in uscita diretto (velocità rotore di 1000 giri/min) DC 5 Volt
Corrente in uscita diretta (velocità rotore di 1000 giri/min) 50 mA
Velocità del vento per muovere il rotore 1,6 m/s
Velocità del vento affinché il generatore produca energia elettrica 2,2 m/s
Pannello solare
Dimensione (AxLxP) 12,5 x 15,5 x 8 centimetri
Voltaggio 5 Volt
Corrente 450 mA
PEM Fuel Cell
5.2.2 REGOLATORI DI TENSIONE
Poiché l'obiettivo del progetto è semplicemente fare un'esperienza sull'utilizzo della tecnologia,
abbiamo scelto un regolatore di tensione che eroghi un tensione di 5V DC con una potenza
massima di 5W (ben oltre la capacità produttiva). Questo dispositivo alimenterà un LED che
rappresenterà il nostro "impianto civile in miniatura".
Integrato IC-7805
Capitolo: PROGETTO ELETTRICO
Voltaggio in ingresso Vin = 7 - 20V
Voltaggio in uscita Vout = 5V ± 0.25
Corrente in uscita Iout = 50mA - 1.0 A
9
5.2.3 CONTROLLORE LOGICO
Come controllore logico, verrà utilizzato una semplice Proto-Board con CHIP Amtel ATMEGA328,
che permetterà di implementare la logica di controllo dei segnali.
Il micro-controllore avrà il compito di monitorare la quantità di energia elettrica prodotta
rispettivamente dalla turbina eolica o dal pannello solare. Nel caso questa non fosse sufficiente ad
alimentare il regolatore di tensione (quindi minore di 7V), quest'ultimo viene isolato e tutta
l'energia elettrica prodotta viene direzionata verso l'elettrolizzatore. A questo punto il MicroControllore azionerà la Fuel Cell che, con l'idrogeno immagazzinato con recupero di energia fatto
in precedenza, alimenta i dispositivi civili ( nel nostro caso un LED ).
ATmega328
Capitolo: PROGETTO ELETTRICO
Voltaggio Operativo: 5V ;
Voltaggio in ingresso (Raccomandato): 7-12V ;
Voltaggio in ingresso (Limiti): 6-20V ;
I/O Digitali: 14 ;
Input Analogici: 6 ;
Corrente DC per I/O: 40 mA
10
5.2.3.1 Diagramma di flusso del sistema di controllo
Controllo valori di produzione di
energia.
Veolico
Vfotovoltaico
Se la tensioni
è minore di 7V
VERO
Disabilito il regolatore di tensione
della casa e dirigo tutta l'energia
all'elettrolizzatore
FALSO
Disabilito l'erogazione di
idrogeno verso la Fuel Cell
Abilito l'erogazione di idrogeno
verso la Fuel Cell
Abilito il regolatore di tensione
della casa
Capitolo: PROGETTO ELETTRICO
Ciclo ogni 20ms (50 Hz)
11
Capitolo: PROGETTO ELETTRICO
5.3 SCHEMA ELETTRICO
12
Di seguito è rappresentata un possibile sviluppo del circuito su PCB di rame a doppia faccia.
Capitolo: PROGETTO ELETTRICO
Di seguito è rappresentata un visione in 3D del circuito, rispettivamente nella vista dall’alto e dal
basso.
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5.3.1
COMPONENTI UTILIZZATI
Per la realizzazione del circuito elettrico sono stati utilizzati i componenti seguenti:
N.2 Resistenze (R2, R3) – Valore: 1 MΩ
N.1 Resistenza Variabile (Potenziometro Digitale) (R4)
N.2 Diodi (D1, D3) – Modello: 1N4007
N.1 Diodi (D2 Led) – 3mm
N.1 Resistenza protezione diodo Led(R1) – Valore: 1 kΩ
N.2 Regolatore di Tensione (U1, U2) – Modello: IC7805
N.2 Condensatori ceramici – Valore: 0,1 µF
N.2 Condensatori ceramici – Valore: 0,33 µF
N.2 Transistor NPN (Q1, Q2) – Modello: TIP122
N.4 Morsetti bipolari ( 6mm )
N.1 Morsetto SIL-6
N.1 Morsetto SIL-2
5.3.2
CONSIDERAZIONI
Come visto in precedenza, la tensione massima che possiamo raggiungere con i generatori,
utilizzanti in questo progetto è di 10V. Sulla base di questo dato, abbiamo provveduto a
dimensionare le resistenze presenti nel circuito al fine di avere dei segnali di tensione compatibili
con le nostre esigenze.
Il valore delle resistenze R2 ed R3 è stato scelto per dimezzare il valore di tensione prodotto dal
generatore eolico al fine di poterlo convertire in un segnale digitale di tensione massima di +5V
grazie alla regola del partitore di tensione.
Il potenziometro digitale ha il compito di regolare la corrente diretta all’elettrolizzatore per
prevenire l’arresto della pala eolica.
I diodi D1 e D3 svolgono la funzione di impedire inversioni di polarità sui regolatori di tensione.
I regolatori di tensione, U1 ed U2, provvedono a garantire al Led una tensione costante e
stabilizzata (grazie anche agli elementi C1, C2, C3, C4) pari a +5V.
I due transistor Q1 e Q2 ci consentono di isolare l’alimentazione, rispettivamente di U1 e U2,
permettendoci di scegliere la modalità di produzione elettrica più appropriata.
Considerate le scelte effettuate per il circuito elettrico, è d’obbligo evidenziare alcune criticità
legate alle potenze operative dell’impianto.
Abbiamo stimato che la tensione massima raggiungibile dai micro-generatori che abbiamo in
dotazione si attesta a circa 10V, di conseguenza abbiamo scelto una componentistica adeguata
alle nostre esigenze.
Nel caso le tensioni generate dovessero superare i 10V, abbiamo stimato che il massimo limite di
tensione supportato dall’impianto è di 20V (la tensione massima ammessa dai regolatori di tensione
U1 e U2). Inoltre, nel primo approccio all’attività di laboratorio il potenziometro digitale è stato
sostituito da uno manuale, per fare le prime misure elettriche sull’impianto.
Capitolo: PROGETTO ELETTRICO
Il connettore P3 permetterà di controllare l’elettrovalvola di erogazione di idrogeno.
14
Capitolo: BOZZA DI REALIZZAZIONE DEL PROTOTIPO
6 BOZZA DI REALIZZAZIONE DEL PROTOTIPO
15
7 CONCLUSIONI
Noi studenti della Scuola Castellini pur consapevoli che il passo da questo nostro piccolo progetto
alla realizzazione di una vera e propria centrale elettrica è lungo, sentiamo la necessità di dover
contribuire alla nascita e allo sviluppo di un futuro differente, nel nostro piccolo e per quanto ci
compete ma con la consapevolezza che è possibile attuare metodi di produzione di energia
elettrica ecosostenibili, e sicuri.
Abbiamo, per cui, voluto realizzare in scala il nostro impianto mettendo in pratica quanto studiato
in precedenza, tenuto conto di tutte le limitazioni alle quali il modellino in scala ci ha costretto,
siamo in ogni caso riusciti a realizzare un impianto in grado di dimostrare i principi di
funzionamento che abbiamo studiato, e successivamente adeguato alle nostre esigenze.
Una futura implementazione potrebbe risiedere nella possibilità di ottimizzare il processo
dell’elettrolisi con la tecnica ad alta temperatura, citata precedentemente, ottenuta grazie ai
pannelli termo solari. Sarà, in questo caso, necessario progettare nuovamente la logica di controllo
dell’impianto, implementando i processi che gestiscono i pannelli termo solari, le temperature di
mandata dell’impianto idraulico.
Gli studenti
Alessandro Maturo ( III Operatori Elettrici Elettronici )
Alessio Trombini ( I Operatori Elettrici Elettronici )
Daniele Palumbo ( III Operatori Elettrici Elettronici )
Dennis Guerrera ( II Operatori Elettrici Elettronici )
Iacopo Rizzato ( II Operatori Elettrici Elettronici )
Shashi Raj Herpersad ( I Operatori Elettrici Elettronici )
Docente
Prof. Nicola Gasbarro
Progetto prodotto dalla Fondazione “G.Castellini”
Via Sirtori, 10 – 22100 Como (CO)
Presso il laboratorio elettrico industriale
Capitolo: CONCLUSIONI
Prof. Gianfranco Noseda
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