Progetto “Dall’acqua alla fiamma”
Obiettivo: Sviluppare un lavoro per il concorso "Anch’io Scienziato…" dal titolo “DALL’ACQUA
ALLA FIAMMA”
Percorso: siamo parrtiti dall’energia rinnovabile da energia rinnovabile, e poi, sfruttando
l’esperimento sull’elettrolisi dell’acqua, abbiamo escogitato un metodo per produrre idrogeno.
Titolo: “DALL’ACQUA ALLA FIAMMA”…..acqua e fiamma due elementi presenti in natura
l’uno in contrapposizione e in simbiosi all’altro come fonti di energia pulita.
Descrizione del progetto
Inizialmente ci siamo posti queste domande:
“dove si trova l’idrogeno e come si può estrarre”
“come si può trasportare e distribuire”
“come si può utilizzare e in quali ambiti”
“dove si trova l’idrogeno e come si può estrarre”
L’idrogeno è abbondante sulla terra, ma si trova in piccolissime quantità allo stato libero. È
presente sopratutto legato ad altri elementi quali ossigeno e carbonio come nell’acqua e negli
idrocarburi. Ma le molecole che contengono idrogeno sono davvero innumerevoli.
L’elettrolisi e lo steam reforming sono due modi per ottenere idrogeno.
Con lo steam reforming si separa l'idrogeno dai combustibili fossili, usandolo per ottenere un
gas pulito, si emettono paradossalmente gas nell'atmosfera che causano il riscaldamento globale.
L'elettrolisi dell'acqua è un processo elettrolitico nel quale il passaggio di corrente elettrica
causa la decomposizione dell'acqua in ossigeno ed idrogeno gassosi. Dal punto di vista
etimologico, il termine elettrolisi è composto dal prefisso “elettro” (elettricità) e da “lisi”
(separazione). L'etimologia del termine è connessa al meccanismo del processo dell’elettrolisi
dell'acqua, che consiste appunto nel "rompere" la molecola di acqua nei suoi elementi
costituenti (idrogeno e ossigeno).
Abbiamo scelto l’acqua perché comporta un minor consumo di energia e minor inquinamento
dell’ambiente.
“come si può trasportare e conservare”
L’idrogeno può essere trasportato mediante autoarticolati o idrogenodotti, in forma liquida o
gassosa. È preferibile distribuire l’idrogeno in forma gassosa perché le reti di distribuzione di
idrogeno liquido presentano problemi di gestione e sono molto costose. Un idrogenodotto ha
caratteristiche simili a quelle di una rete di distribuzione del gas.
La realizzazione e la gestione di una rete di distribuzione di idrogeno gassoso possono quindi
avvalersi di una esperienza già consolidata.
Un processo di stoccaggio pratico ed economico dipende dalla capacità, dall'integrità strutturale
del materiale impiegato, dal costo totale e da altre condizioni quali temperatura, pressione e
purezza dell'idrogeno. Le tecnologie di stoccaggio sono distinguibili in:
• Idrogeno compresso;
• Idrogeno liquefatto;
• Idruri di metallo;
• Idruri chimici;
• Sistemi basati sul carbonio;
• Microsfere di cristallo.
“come si può utilizzare e in quali ambiti”
Le due principali utilizzazioni previste in futuro per l’idrogeno e per cui si sta lavorando
attualmente nei laboratori di ricerca applicata riguardano l’impiego come combustibile per la
generazione di energia elettrica e per il trasporto. Impianti per la produzione centralizzata di
energia elettrica e motori a combustione interna alimentati a idrogeno sono già fattibili sulla
base delle tecnologie esistenti e anche con emissioni sensibilmente ridotte rispetto a quelle degli
impianti convenzionali.
Deve tuttavia essere ulteriormente migliorato il rendimento e abbassati i costi; per questo sono
in corso di sperimentazione materiali e soluzioni innovative che dovrebbero arrivare a
maturazione nel giro di alcuni anni.
Ma lo strumento principale il cui sviluppo condizionerà pesantemente la reale affermazione
dell’idrogeno come vettore energetico pulito è senza dubbio la pila a combustibile.
La pila a combustibile è un dispositivo elettrochimico che converte direttamente l’energia di un
combustibile in elettricità e calore. In sostanza funziona in modo analogo ad una batteria, in
quanto produce energia elettrica attraverso un processo elettrochimico; a differenza di
quest’ultima, tuttavia, consuma sostanze provenienti dall’esterno ed è quindi in grado di
funzionare senza interruzioni, finché al sistema viene fornito combustibile ed ossidante.
La pila è composta da due elettrodi in materiale poroso, separati da un elettrolita.
Gli elettrodi fungono da siti catalitici per le reazioni di cella che consumano fondamentalmente
idrogeno ed ossigeno, con produzione di acqua e passaggio di corrente elettrica nel circuito
esterno. L’elettrolita ha la funzione di condurre gli ioni prodotti da una reazione e consumati
dall’altra, chiudendo il circuito elettrico all’interno della cella.
La trasformazione elettrochimica è accompagnata da
produzione di calore, che è necessario estrarre per
mantenere costante la temperatura di funzionamento
Prima esperienza
Inizialmente abbiamo cercato di ricavare l’idrogeno dal riutilizzo dell’alluminio presente nelle
lattine e nella carta stagnola. Abbiamo utilizzato l’apparecchio di Kipp per far reagire il materiale di
riciclo con l’acido cloridrico concentrato. La reazione tra un metallo e un acido produce il sale del
metallo e libera idrogeno. Il principale problema in cui ci siamo imbattuti è stato il dover utilizzare
acido ad elevata concentrazione con conseguente difficoltà di smaltimento e d’inquinamento.
2Al + 6HCl → 2AlCl3 + 3H2
Seconda esperienza
Cosa abbiamo fatto noi
Quando il voltametro di Hofmann viene collegato ad un generatore di corrente, questa dissocia la
molecola d'acqua negli ioni OH- e H3O+ (e dà una bassissima percentuale di protoni liberi H+, i
quali tendono a reagire con le molecole di acqua per dare ioni H3O+).
Al catodo gli ioni idrogeno (H3O+) acquistano elettroni in una reazione di riduzione che porta alla
formazione di idrogeno gassoso:
2H2O(l) + 2 e- → H2(g) + 2 OH- (l)
All'anodo, gli ioni idrossido (OH-) subiscono ossidazione, cedendo elettroni:
2H2O(l) → O2(g) + 4 H+ + 4 eDalla somma delle due semireazioni precedenti si ottiene la seguente reazione completa: 2H2O(l)
→ 2 H2(g) + O2(g)
Si formerà quindi un volume di idrogeno quasi doppio rispetto al volume
dell’ossigeno
Εὕρηκα Eureka "ho trovato"
In particolare con l’idrogeno abbiamo provato a riempire un palloncino.
Da quel momento, abbiamo detto: “Eureka”, come Archimede quando, secondo la tradizione,
scoprì che si poteva calcolare il volume di un corpo di forma irregolare misurando il volume
dell'acqua che veniva spostata dal corpo immerso in quel liquido.
Così abbiamo cominciato a fare ipotesi:
• sul tipo di elettrolizzatore o generatore di idrogeno
• sul tipo di elettrodi
• su come accumulare l’idrogeno in un contenitore per lo stoccaggio,
• su come produrre l’energia elettrica per realizzare l’elettrolisi;
utilizzando solo i modesti mezzi che ci siamo procurati, intanto che la nostra opera prendeva forma.
Costruzione del VOLTAMETRO di HOFFMAN
Come elettrolizzatore abbiamo scelto il voltametro di Hoffman.
Abbiamo realizzato la struttura del voltametro, con assi di legno presi dai pallet per l’imballaggio
trovati in un magazzino della scuola, e lo abbiamo assemblato con contenitori in plastica.
Poi abbiamo assemblato i due tubi esterni con gli elettrodi realizzati in acciaio (dopo vari tentativi
fatti con materiali diversi), i sensori magnetici che rilevano il livello dell’acqua nel voltametro e i
tubi laterali che servono per permettere all’idrogeno e all’ossigeno che si forma alla loro base di
evaporare e di essere raccolto sulla sommità degli stessi.
Abbiamo assemblato anche il tubo centrale da cui si immette l’acqua nel voltametro
Raccolta dell’idrogeno
L’idrogeno viene dapprima accumulato a pressione atmosferica in un palloncino, successivamente
viene compresso, con l’utilizzo di una pompa alternativa, nel serbatoio di stoccaggio. In questa fase
di svuotamento del palloncino un sensore S2 fa spegnere il compressore che adduce l’idrogeno dal
voltametro al palloncino.
A questo punto l’Idrogeno accumulato, potrebbe essere sfruttato facendolo uscire da un rubinetto.
Mantenimento del tubo centrale pieno d’acqua
Durante il normale esercizio del voltametro, una parte dell’acqua si disperde nell’ambiente sotto
forma di ossigeno, due parti vengono trasformati e stoccati sotto forma d’idrogeno e quindi il
sistema tende ad asciugarsi. Per ovviare a ciò si è pensato di dotare il sistema di una pompa che lo
mantenga sempre con un livello d’acqua sufficiente, azionata automaticamente da due sensori
magnetici (S3 per il livello minimo e S4 per il livello massimo) comandati da un magnete mosso da
un galleggiante all’interno del tubo di carico dell’acqua.
Fase di riempimento automatico
Dopo vari tentativi abbiamo scelto di introdurre l’acqua dalla parte bassa del tubo di carico, per
evitare che questa perturbasse il galleggiante e quindi il magnete che interagisce con il sensore S4.
Quando l’acqua all’interno del tubo di carico raggiunge questo livello massimo, il magnete
posto sul galleggiante comporta l’intervento automatico del sensore S4.
Approvvigionamento dell’energia elettrica
Ci è sembrato opportuno alimentare il sistema con energia rinnovabile, per questo abbiamo usato un
pannello solare che era nel laboratorio di elettrotecnica della scuola.
Pannello solare è un dispositivo composto da celle fotovoltaiche in grado di convertire
l'energia solare in energia elettrica mediante effetto fotovoltaico ed è impiegato come
generatore di corrente in un impianto fotovoltaico. Le celle fotovoltaiche sono
meccanicamente pre-assemblate a formare un pannello fotovoltaico. Tale pratica sta
progressivamente cedendo il passo ai moduli fotovoltaici, che sono dispositivi
optoelettronici, composti da celle fotovoltaiche. Un pannello fotovoltaico può essere
esteticamente simile al pannello solare termico, ma, pur utilizzando entrambi dell'energia
solare, hanno scopi e funzionamento molto differenti.
Alimentatore supplementare
Visto che l’energia prodotta dal nostro pannello fotovoltaico è limitata, per far funzionare i
dispositivi ausiliari illustrati, abbiamo previsto l’impiego di un alimentatore supplementare. Questo
è composto da un trasformatore da collegare alla rete, un raddrizzatore a Ponte di Graetz e un
condensatore per ottenere una corrente continua stabilizzata, che serve ad alimentare le pompe.
Nel caso si disponesse di una maggior quantità di energia rinnovabile, con questa, si potrebbe
alimentare tutto il sistema.
Altri metodi sostenibili di produzione dell’energia elettrica
Bicicletta
Un’altra fonte di energia elettrica a disposizione, per la produzione di idrogeno è quella ottenuta
attraverso una bicicletta. Questo sistema rappresentato in figura, trasforma l’energia del ciclista
in energia meccanica e quindi, attraverso un generatore, trascinato in rotazione dalla ruota
posteriore del velocipede, in energia elettrica. Con questa energia possiamo alimentare
l’elettrolizzatore, così intanto che ci alleniamo produciamo idrogeno
L’energia eolica
L'energia eolica è l'energia posseduta dal vento, che solo da pochi decenni viene impiegata per
produrre elettricità. Per sfruttare l'energia del vento vengono utilizzati gli aerogeneratori . Il
principio è lo stesso dei vecchi mulini a vento ossia il vento che spinge le pale; in questo caso, il
movimento di rotazione delle pale viene trasmesso ad un generatore che produce elettricità.
L'energia eolica è una fonte rinnovabile e pulita, ma presenta anch'essa effetti indesiderati quali:
occupazione del territorio, impatto visivo, rumore, effetti su flora e fauna, interferenze sulle
telecomunicazioni, effetti elettromagnetici ecc. Tutte queste note negative (che sono tra l'altro se
non annullabili comunque attenuabili con opportuni accorgimenti) sono pesantemente
controbilanciate dagli enormi effetti positivi che un impianto del genere comporta e cioè la
possibilità di evitare l'immissione nell'atmosfera di milioni di tonnellate di sostanze inquinanti e
di gas-serra.
Questa energia potrebbe essere utilizzata proficuamente per produrre idrogeno e accumularlo
come fonte di energia potenziale, da sfruttare all’occorrenza per produrre elettricità, calore, o
carburante per i motori ad idrogeno.
Considerazioni finali
Questo lavoro ci ha permesso di conoscere un’opportunità notevole come quella dell’idrogeno quale
vettore energetico, che permetterà in un futuro, speriamo prossimo, a chiunque di produrre,
trasformare e stoccare energia sotto forma di idrogeno.
Il progetto da noi sviluppato, non ha alcuna pretesa di essere un prototipo di innovazione
tecnologica, ma racchiude in se tutti gli elementi che ricerche più sofisticate dovranno perfezionare.
Riguardo al manufatto, come si può notare, è presentato in una forma molto empirica, ciò perché è
stato eseguito in gran parte con materiali di recupero, o con accessori inventati e costruiti apposta
per risolvere le esigenze funzionali che ci si presentavano.
È stato divertente e in un certo senso utile, colorare tutti i componenti del sistema.
Peccato che non abbiamo potuto realizzare la pila a combustibile, viste le difficoltà nel reperire i
materiali opportuni.
Sicuramente questo lavoro ci ha permesso di far seguire ad una ricerca la costruzione di qualcosa di
tangibile e ci ha fatto acquisire
un metodo sperimentale molto istruttivo.
Bibliografia
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G. Ruffo. “Studiamo la fisica essenziale ”. Zanichelli, 2010.
D. Frank, M. Wysession, S. Yancopoulos. “Fisica. Concetti in azione”. Linx, 2010.
De Santis, Cacciaglia, Saggese “Sistemi automatici”. Calderini, 2009.
G. Valitutti, A. Tifi, A. Gentile. “Esploriamo la chimica”, vol. 1, vol2. Zanichelli, 2011
Conte G., “Elettrotecnica Generale / Circuiti-Misure Elettriche- Laboratorio” Hoepli, 2011
Sitografia
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http://it.wikipedia.org/
http://www.trentoblog.it/
http://www.uniba.it
Grazie per l’attenzione.
