Idrogeno e futuro

UNIVERSITA' DEGLI STUDI DI PADOVA
FACOLTA' DI INGEGNERIA
CORSO DI LAUREA IN INGEGNERIA GESTIONALE
TESI DI LAUREA DI PRIMO LIVELLO
IL NOSTRO FUTURO E' L'IDROGENO
RELATORI: CH.MO PROF. MIRTO MOZZON
CH.MO PROF. RINO A. MICHELIN
LAUREANDO: ZANINI FILIPPO
ANNO ACCADEMICO 2009-2010
"Da' a ogni giornata
la possibilità di essere
la più bella della tua vita"
Mark Twain
1
INDICE
Introduzione........................................................................................................................5
CAPITOLO 1 - La produzione dell'idrogeno.........................................................................7
1.Produzione da fonti primarie...................................................................................9
1.1.Steam reforming del metano.....................................................................9
1.2.Ossidazione parziale di idrocarburi (POX)...............................................11
1.3.Gassificazione del carbone......................................................................11
1.4.Altri processi............................................................................................11
2.Produzione da composti intermedi........................................................................12
3.Produzione da fonti alternative..............................................................................13
3.1.Utilizzo delle biomasse............................................................................13
3.2.Processi fotobiologici...............................................................................14
3.3.Processi fotoelettrochimici a membrana ceramica..................................14
4.Elettrolisi dell'acqua..............................................................................................15
5.Purificazione dell'idrogeno....................................................................................16
CAPITOLO 2 - Lo stoccaggio e il trasporto dell'idrogeno...................................................18
1.Stoccaggio.............................................................................................................18
1.1.Stoccaggio gassoso compresso..............................................................18
1.2.Idrogeno allo stato liquido........................................................................20
1.3.Idruri metallici...........................................................................................21
1.4.Idruri chimici.............................................................................................21
1.5.Nanostrutture di carbonio........................................................................22
1.6.Microsfere di cristallo...............................................................................22
1.7.Il sistema di stoccaggio migliore..............................................................22
1.8.La sicurezza.............................................................................................23
2.Il trasporto.............................................................................................................24
2.1.Il trasporto su strada................................................................................24
2.2.Gasdotti...................................................................................................25
2.3.Soluzioni “on-board”................................................................................25
2
CAPITOLO 3 - Le celle a combustibile...............................................................................27
1.Storia delle fuel cells.............................................................................................27
2.Componenti...........................................................................................................28
3.Funzionamento......................................................................................................29
4.Tipologie di fuel cells.............................................................................................31
4.1.Fuel cells ad elettrolita alcalino................................................................31
4.2.Fuel cells PEM.........................................................................................32
4.3.Fuel cells ad alimentazione diretta di metanolo.......................................34
4.4.Fuell cells ad acido fosforico...................................................................35
4.5.Fuel cells a carbonati fusi........................................................................36
4.6.Fuel cells a pssidi solidi...........................................................................37
5.Considerazioni sulle diverse tecnologie................................................................39
6.Approfondimento: Fuel cells PEM.........................................................................40
6.1.Elettrolita..................................................................................................40
6.2.Il catalizzatore e gli elettrodi....................................................................41
6.3.Tecnologia costruttiva delle celle PEM....................................................41
6.3.1.Metodo ad elettrodi separati.......................................................41
6.3.2.Metodo ad applicazione diretta..................................................42
6.3.3.MEGA.........................................................................................42
6.4.I piani di supporto e le piastre collettrici...................................................42
6.5.Lo stack e i piatti bipolari.........................................................................43
6.6.Balance of plant.......................................................................................43
6.7.Vantaggi e svantaggi degli stack di celle PEM........................................44
6.8.L'energia prodotta dalle celle PEM..........................................................44
CAPITOLO 4 - Applicazioni veicolari dell'idrogeno.............................................................49
1.I motori termici ad idrogeno...................................................................................49
2.La soluzione a fuel cells........................................................................................50
3.Confronto fuel cells e motori termici ad idrogeno..................................................51
4.Veicoli a fuel cells ad idrogeno..............................................................................51
4.1.Motore elettrico........................................................................................52
4.2.Sistemi di controllo...................................................................................53
4.3.Batterie....................................................................................................54
5.Confronto economico fra propulsione elettrica e a benzina..................................55
6.Confronto di efficienza fra veicoli a fuel cells e a combustione interna:
3
“Approccio well-to-whells”..............................................................................56
6.1.Upstream.................................................................................................56
6.2.Vehicle.....................................................................................................58
6.3.Efficienza globale “well-to-whells”............................................................59
7.Vetture prodotte dalle case automobilistiche.........................................................60
7.1.Idrogeno: propellente in motori a combustione interna............................60
7.2.Idrogeno: alimentazione delle celle a combustibile.................................62
CAPITOLO 5 – Conclusioni................................................................................................69
Ringraziamenti..................................................................................................................72
Bibliografia........................................................................................................................74
4
INTRODUZIONE
Secondo uno studio promosso dalle Nazioni Unite negli ultimi cento anni la temperatura
media dell'atmosfera è aumentata di 0,5°C. L'andamento è stato quasi esponenziale a
partire dagli anni '60, anni dello sviluppo industriale e del boom economico.
Fig. 1: scostamento della temperatura
media globale dal 1850 al 2010
Altri studi promossi dall'IPCC (Intergovernmental Panel on Climate Change) hanno
evidenziato la correlazione tra questo aumento preoccupante della temperatura con la
quantità di CO2 immessa dall'uomo nell'atmosfera. Se inizialmente l'immissione di anidride
carbonica è stata la causa dei picchi di temperatura, oggigiorno ormai la CO 2 è diventata
sia la causa sia l'effetto del surriscaldamento anomalo che si sta verificando. Un circolo
vizioso insomma. Se la tendenza di produzione di anidride carbonica rimanesse quella
odierna nel corso del prossimo secolo si stima un aumento della stessa del 200% con un
aumento della temperatura tra 1 e 5°C. La CO 2 è una delle cause principali dell'effetto
serra, un fenomeno che imprigiona nell'atmosfera il calore irradiato dal Sole sulla
superficie terrestre.
Fig. 2: andamento della concentrazione di CO 2 nell'atmosfera
dal 1700 al 2000
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Il calore irradiato dal Sole di norma si accumula nelle zone equatoriali arrivando fino ad
una latitudine di 30°, incrementando le temperature e diminuendo la differenza tra le
stagioni. Ormai, però, il calore arriva anche 500 Km più a nord a causa dell'effetto serra
sopracitato con effetti anche nel nostro Paese: al nord le temperature medie sono
aumentate, al sud da un clima caldo si sta passando ad un clima sempre più torrido con
danni notevoli all'agricoltura. Altri effetti sono i sempre più frequenti uragani ed
inondazioni, e nello scioglimento dei ghiacciai che potrebbe aumentare il livello dei mari da
uno a quattro metri causando la sommersione di gran parte delle zone costiere e
addirittura di isole del Pacifico tra la Nuova Zelanda e le Hawaii.
A destare l'interesse delle più potenti nazioni nei confronti degli effetti dovuti all'uso dei
combustibili fossili, oltre alle conseguenze dei cambiamenti climatici, è anche il fattore
geopolitico legato al greggio. Il prezzo al barile continua a crescere nonostante la crisi
economica che stiamo affrontando. Questo mette a rischio l'esistenza di molte aziende e
sta diventando un peso finanziario sempre meno sostenibile dalle famiglie occidentali. I
principali bacini di estrazione si trovano nella zona mediorientale, con concentrazione
maggiore nella penisola arabica, dove sono presenti governi instabili e ostili al modello
occidentale. E' dunque urgente la necessità di ricorrere ad altre risorse che permettano di
affrancarsi dall'utilizzo del petrolio.
L'obiettivo di questa tesi è presentare l'idrogeno come alternativa ai combustibili oggi
utilizzati e quindi come soluzione per il nostro futuro.
Verranno esposti i vantaggi che l'idrogeno può offrire, come: poter essere ricavato
ovunque nel mondo, poter essere ottenuto anche da fonti rinnovabili di energia, poter
essere prodotto in un impianto miniaturizzato, localizzato e funzionante a seconda delle
esigenze dell'utente.
Rilevante è, in questi tempi, il suo impiego in ambito automobilistico. Nel mondo circolano
circa 700 milioni di automobili, responsabili del 30% dell'anidride carbonica immessa
nell'atmosfera. Il numero di autoveicoli è destinato a crescere in seguito alla recente
motorizzazione di massa in India e Cina. E' necessario dunque trovare un mezzo di
trasporto che permetta di tagliare drasticamente le emissioni. Sono attualmente in atto
numerosi studi relativi alla possibilità di una propulsione ad idrogeno, ma sono ancora a
livello di sperimentazione.
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CAPITOLO 1
La produzione dell'idrogeno
Negli ultimi anni si sente parlare sempre di più di veicoli a idrogeno, ma l'idea di una
distribuzione capillare sul territorio, alla stregua dei normali distributori di carburanti fossili,
viene vista ancora da molti come un'utopia.
Altri problemi che vengono sollevati, inoltre, sono che esso sarebbe ricavato in ogni caso
da fonti fossili e che i processi di produzione sarebbero analoghi a quelli impiegati per
ottenere il gasolio e la benzina dal petrolio con conseguente spreco irreversibile di risorse
e inquinamento.
In antitesi a queste opinioni sì può affermare che oggigiorno è possibile, grazie al
progresso tecnico degli ultimi anni, ottenere idrogeno dal metano con processi controllati e
sarà possibile a breve produrlo anche a partire da fonti di energia rinnovabili.
Le nuove tecnologie atte ad ottenere idrogeno in modo pulito e con elevata efficienza,
però, sono ancora sconosciute ai più.
Oltre alle novità tecniche non vanno trascurati i finanziamenti e le facilitazioni derivanti
dall'aumentata sensibilità dei politici e degli amministratori pubblici nei confronti dei temi
ambientali e nei confronti anche delle tecnologie che potrebbero, un giorno, emanciparci
dalla dipendenza dal petrolio.
Attualmente nel mondo vengono prodotti ogni anno circa 500 miliardi di Nm 3 (normal metri
cubi) di idrogeno. Un normal metro cubo è il volume occupato da un gas alla pressione
atmosferica e alla temperatura di zero gradi centigradi.
Essendo la densità dell'idrogeno, a questi valori di pressione e temperatura, pari a 0,0899
Kg/Nm3 è possibile esprimere la quantità in peso di idrogeno annualmente prodotta: si
parla di 44,9 milioni di tonnellate.
L'energia effettivamente utilizzabile da un 1 Kg di idrogeno e di 119,665 MJ (MegaJoule:
milioni di Joule). Questo valore è da tenere d'occhio per quanto riguarda il futuro utilizzo
veicolare dell'idrogeno. Come immagazzinare a bordo una quantità di idrogeno sufficiente
ad ottenere buone prestazioni dal veicolo rappresenta una delle sfide principali e
bisognerà garantire un'autonomia di percorrenza accettabile in relazione alla potenza
erogata.
Oltre il 90% dell'idrogeno prodotto attualmente deriva direttamente o indirettamente da
processi che prevedono l'utilizzo di idrocarburi, anche se si stanno diffondendo ovunque
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sistemi di produzione basati sulle fonti di energia pulite e rinnovabili.
Fonti di produzione dell'idrogeno
Gas Naturale
47,00%
Petrolio
32,00%
Carbone
16,00%
Elettrolisi
5,00%
Tabella 1: Fonti di produzione dell'idrogeno
Nel prossimo futuro di prevede un incremento consistente della richiesta di idrogeno e lo
sviluppo del suo mercato viene considerato rapido dagli economisti e dagli osservatori,
poiché il numero di utenti sembra essere potenzialmente enorme. Si prevede un grande
utilizzo sia per la produzione di energia elettrica, sia nel campo veicolare.
Ad esempio, quasi tutte le case automobilistiche sono pronte con versioni specifiche ad
idrogeno di alcuni loro modelli.
Inoltre, l'impiego dell'idrogeno si considera sfruttabile anche per altre realtà, come: velivoli,
imbarcazioni, PC portatili e telefonini.
In questo momento i fattori critici per lo sviluppo di tale mercato sono: produzione,
trasporto, stoccaggio. Il metodo ideale di produzione sembra essere l'elettrolisi (scompone
l'acqua nei due costituenti: idrogeno e ossigeno).
Tuttavia, l'energia elettrica che serve per questo processo, se ottenuta in modo
tradizionale, comporta un certo costo economico e ambientale perché continuerebbe a
consumare i combustibili fossili. Oggi esiste già la possibilità di utilizzare corrente elettrica
ottenuta da fonti rinnovabili ma non si dispone ancora di una quantità sufficiente di energia
prodotta in questo modo. Si ipotizza, quindi, un periodo di transizione nel quale i sistemi di
produzione di idrogeno a partire da combustibili fossili saranno affiancati da quelli in grado
di ottenerlo mediante elettricità pulita.
L'idrogeno può essere ottenuto da 4 tipologie di fonti:
•
FONTI PRIMARIE: idrocarburi, carbone, gas naturale
•
COMPOSTI INTERMEDI: prodotti di raffineria, metanolo, ammoniaca
•
FONTI ALTERNATIVE: biomasse, biogas, alghe, batteri
•
ACQUA
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1.Produzione da fonti primarie
1.1.Steam reforming del metano
Questo processo è il metodo più utilizzato per produrre l'idrogeno. Copre, infatti, il 50%
dell'intera sua produzione.
Si basa sulla reazione chimica del metano (CH 4) presente nel gas naturale con il vapore
d'acqua
Il processo si divide in tre fasi principali: generazione del gas di sintesi, reazione di shift e
purificazione del gas.
Quando è necessario si attua una desolforazione del combustibile di partenza (lo zolfo
viene convertito in H2S). Il gas desolforato passa in un bruciatore, chiamato reformer,
formato da un sistema di tubi in acciaio contenenti un catalizzatore a base di nichel, nei
quali si immette vapore acqueo alla temperatura di circa 800°C e ad una pressione di 3035 bar.
Per lavorare a questa temperatura e a questa pressione è richiesta una certa spesa
energetica di compressione e calore. All'uscita del reformer di ottiene una miscela di gas
detta di sintesi (o syngas) composta da idrogeno H 2 e residui di monossido di carbonio
CO.
La reazione successiva di shift prevede una notevole diminuzione dei valori di CO, fino a
0,2-0,4% rispetto al volume iniziale. Questo processo è suddiviso in due fasi: uno ad alta
temperatura, cioè sopra i 500°C, l'altro a bassa temperatura, circa 200°C.
Alla fine di tale reazione si arriva ad ottenere una miscela di idrogeno (H 2) e anidride
carbonica (CO2). E' necessario eliminare l'anidride carbonica prodotta in quanto essa
andrebbe a disperdersi nell'atmosfera aumentando, conseguentemente, l'effetto serra. Per
eliminarla si procede isolandola mediante l'interramento del gas in bacini petroliferi
esauriti. Questa procedura è detta “ sequestro”.
Esistono anche nuove metodologie che utilizzano materiali speciali le cui caratteristiche
possono abbattere in parte l'anidride carbonica chimicamente durante i processi di
produzione dell'idrogeno.
CO + H2O → CO2 + H2
Reazione di shift
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Il rendimento della reazione globale inteso come
η = energia nell'idrogeno in uscita / energia del metano in ingresso + energia spesa nel
processo
è di circa 65% - 70 % ma in alcuni impianti, dove viene recuperata l'energia dei gas di
scarto e del vapore, si arriva anche a 75% - 85%.
Fig. 3: Schema di un processo di steam reforming
Una versione alternativa dello steam reforming è detta SER (Sorbion Enhanced reforming)
la quale permette di produrre l'idrogeno con un processo a temperatura più bassa e
abbinato ad un sistema di rimozione selettiva dell'anidride carbonica durante il processo
stesso, evitando così i costi di purificazione. Questi impianti sono dotati di sottosistemi per
il recupero del calore, in modo che il rendimento del sistema sia il massimo possibile.
Lo Steam Reforming è il processo più economico per ottenere idrogeno: richiede una
spesa media di 3,3 – 3,5 kWh (12 – 12,5 MJ) per produrre 1 Nm3 di idrogeno.
Il valore più favorevole si ottiene con impianti di grossa taglia che possono meglio
recuperare l'energia contenuta nel vapore prodotto dalla reazione.
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1.2.Ossidazione parziale di idrocarburi (POX)
L'ossidazione parziale non catalitica o POX è ottenibile facendo reagire idrocarburi pesanti
come la nafta oppure la benzina o il metano con ossigeno o aria.
Questo processo si svolge operando ad una temperatura più alta rispetto allo steam
reforming (circa 1300 – 1500 °C) ma l'efficienza è più bassa, circa del 50%, con rendimenti
circa del 35% se si utilizza il metano. Nel mondo solo grandi compagnie petrolifere come
la Shell, Texaco, Exxon dispongono di grandi impianti per l'ossidazione parziale.
Queste multinazionali stanno impiegando le loro conoscenze per realizzare impianti di
dimensioni più ridotte e per migliorare l'efficienza. In questo modo sarebbe forse possibile,
in un primo periodo transitorio dai combustibili fossili all'idrogeno, equipaggiare i veicoli
con sistemi portatili in grado di sfruttare l'attuale rete di distribuzione in modo da produrre
idrogeno “on board”.
Inoltre se tale processo viene combinato con lo Steam Reforming è possibile ottenere
idrogeno senza l'uso di combustibile dall'esterno. Questa tecnica è detta ATR (Auto
Thermal Reforming).
1.3.Gassificazione del carbone
Consiste nella reazione endotermica di ossidazione parziale del carbone, che inizialmente
viene ridotto in polveri di dimensioni inferiori ad 1 mm e quindi trasformato in un
combustibile gassoso.
Questo gas poi viene trasformato chimicamente in una miscela che contiene idrogeno e
ossido di carbonio ed essa viene, alla fine, trattata per isolare e purificare l'idrogeno.
Le reazioni chimiche coinvolte nel processo utilizzano vapore, ossigeno o aria e
avvengono a temperature tra i 400°C e i 1200°C a seconda del reattore che viene usato.
Oltre alla temperatura di reazione un altro fattore fondamentale per lo svolgimento della
reazione è il tempo di permanenza all'interno del reattore. Infatti, se ai vapori delle diverse
sostanze non viene dato il tempo di reagire con l'acqua è possibile la formazione di residui
indesiderati.
Rispetto allo steam reforming il processo risulta più complesso e i costi di realizzazione
dell'idrogeno più elevati. Tuttavia, è molto usato in Cina e in Sud Africa, dove il metano
scarseggia mentre c'è una notevole disponibilità di carbone.
1.4.Altri processi
Esistono altre tecnologie atte alla produzione di idrogeno che sono oggigiorno poco
utilizzate e ancora in via di sviluppo.
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Una delle più importanti è il processo KVAERNER, il quale sfrutta un arco di plasma a
temperature dell'ordine dei 1600°C al fine di ottenere la rottura degli idrocarburi nei
componenti idrogeno e carbonio. Questo processo richiede una grande quantità di energia
elettrica e un raffreddamento che sia il più possibile efficace. E' interessante perché non vi
è alcuna produzione di anidride carbonica e il calore generato può essere facilmente
utilizzato, in quanto ad altissima temperatura. Il rendimento del processo è del 98%, 48%
contenuto nell'idrogeno, 10% nel vapore, 40% nel carbonio residuo.
Un altro processo è il CRACKING TERMICO che consiste nella rottura di molecole di
idrocarburi per effetto dell'elevata temperatura generata in un'atmosfera priva di aria o
acqua. Il calore è generato dalla combustione di metano ma potrebbe essere fornito anche
dalla combustione dell'idrogeno prodotto come combustibile, eliminando così ogni
emissione di CO2.
Le difficoltà riguardano la possibilità di trovare catalizzatori adatti che non si avvelenino
con i depositi di carbonio.
L'efficienza è solo pari al 70% del processo di steam reforming ma i costi di produzione
non sono troppo diversi.
2.Produzione da composti intermedi
Steam reforming del metanolo
E' un processo simile allo steam reforming ma utilizza metanolo come combustibile
iniziale.
In questo caso le temperature di processo si aggirano attorno ai 250 – 280 °C.
I prodotti della reazione sono idrogeno e anidride carbonica. Quest'ultima può essere
“sequestrata”, come già descritto, a fine processo o nel reformer utilizzando una speciale
membrana in palladio e argento. In entrambi i casi la parte solida che viene trattenuta dalla
membrana contiene ancora una quantità considerevole di idrogeno e viene per questo
bruciata sfruttandola per sistemi di riscaldamento. Questo tipo di reformer, se utilizzato
on–board eviterebbe di immagazzinare idrogeno ad alte pressioni e potrebbe anche
sfruttare la buona diffusione del metanolo liquido. Il problema è che la membrana di cui
sopra è costosa e delicata. Il processo, inoltre, genera anidride carbonica che non sarebbe
sequestrabile in autoveicoli come invece può accadere negli impianti fissi.
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3.Produzione da fonti alternative
3.1.Utilizzo delle biomasse
E' possibile ricavare energia elettrica e dunque direttamente o indirettamente idrogeno
sfruttando i prodotti derivati dal trattamento delle biomasse originate dai rifiuti urbani,
industriali e delle sostanze scartate della produzione agricola e zootecnica.
Lo sviluppo di queste tecnologie è già in atto e oggigiorno il 10% circa dell'energia
mondiale viene prodotto servendosi delle biomasse.
In Italia sono oltre 45 gli impianti di questo tipo con una potenza totale installata di 1200
MW. Per biomassa si intendono tutti quei materiali di origine organica (vegetale o animale)
che non hanno subito un processo di fossilizzazione e che sono, quindi, fonti rinnovabili,
poiché l'anidride carbonica emessa per la produzione di energia non va ad incrementare la
CO2 dell'ambiente.
Infatti essa è la stessa che le piante hanno assorbito per svilupparsi e che alla loro morte
tornerebbe nell'atmosfera. Questa tipologia di biomassa è detta “vergine”, ma
normalmente la biomassa è composta da rifiuti urbani i quali contengono anche plastiche,
oli e residui vari e che rischiano di introdurre nell'atmosfera sostanze nocive. L'utilizzo
delle biomasse permette d recuperare il 45% dell'energia elettrica che andrebbe altrimenti
persa in discarica.
I metodi per ricavare energia dalle biomasse sono tre:
a) Termovalorizzatori
Questo metodo prevede di bruciare, prestando attenzione a non disperdere nell'ambiente
sostanze tossiche, le biomasse. Con il calore prodotto viene generata energia elettrica
tramite un ciclo di turbina-vapore. L'energia elettrica verrà poi utilizzata per produrre
idrogeno mediante elettrolisi.
b) Gassificazione
Permette di convertire materiale ricco di carbonio in monossido di carbonio, idrogeno e
altri composti gassosi. Il processo di degradazione termica avviene a temperature elevate
(superiori a 700 – 800 °C) in presenza di un agente ossidante: ossigeno o vapore. La
miscela gassosa che ne risulta viene definita gas di sintesi (syngas) e rappresenta un
combustibile. Il syngas può essere bruciato direttamente in motori a combustione interna,
oppure essere utilizzato per produrre metanolo e idrogeno, o infine essere convertito in
combustibile sintetico.
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Attualmente gli impianti che producono combustibili sintetici da gassificazione sono pochi
e usano principalmente il carbone come materia prima.
c) Pirolisi
Avviene a temperature molto alte (900°C) e spezza le molecole delle sostanze organiche
negli elementi semplici che le costituiscono, formando i vari tipi di gas fra cui l'idrogeno. La
percentuale di idrogeno nelle biomasse è del 7%. Per eliminare le sostanze indesiderate è
necessario un sistema di purificazione durante il ciclo.
3.2.Processi fotobiologici
Sono processi innovativi e in fase di sperimentazione ma che nel breve termine non
verrano utilizzati nella produzione dell'idrogeno in quanto oltre ad essere in fase di studio
comporterebbero costi di produzione elevati e problematiche tecniche.
Tali processi sfruttano l'attitudine di alcune alghe e di alcuni batteri a produrre idrogeno in
condizioni particolari. Assorbendo l'energia solare queste alghe separano l'idrogeno
dall'acqua utilizzando un enzima (idrogenasi) con un'efficenza del 5%. Tuttavia, gli enzimi
dell'alga vengono distrutti dall'ossigeno che si libera dalla scissione dell'acqua. Esistono,
però, organismi che riescono a sopperire a questo problema e sono attualmente in fase di
studio.
La ricerca su questo fronte ha due strade di sviluppo: “whole-cell” e “cell-free”.
La prima consiste nell'adozione di batteri che sembrano offrire a breve termine
un'efficenza di conversione pari al 10%. La seconda, “cell-free”, nell'impiego esclusivo dei
soli enzimi produttori di idrogeno, con efficienze di circa 30%.
3.3.Processi fotoelettrochimici e a membrana ceramica
La tecnologia fotoelettrochimica permette di ottenere idrogeno dall'elettrolisi operata
mediante energia solare su apposite celle costituite da un sistema a semiconduttori. E'
ancora in via di sviluppo e l'obiettivo è quello di migliorarne l'efficienza, aumentarne la
durata e contenere il costo. Ora l'efficienza del metodo è circa 10-12%.
Vengono utilizzate particolari membrane in grado di ottenere idrogeno direttamente dal
gas naturale separando l'ossigeno dall'aria. Si riscalda l'aria a 600°C e la si indirizza poi
attraverso il reattore in cui è presente la membrana. Si genera quindi ossigeno che
convogliato verso un reticolo cristallino reagisce con i catalizzatori del reformer. Viene
prodotta, così, una miscela di gas contenente idrogeno e monossido di carbonio. Esso è
infine purificato per isolare unicamente l'idrogeno.
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4.Elettrolisi dell'acqua
L'elettrolisi delle molecole dell'acqua è un procedimento diretto e pulito per ottenere
idrogeno. E' la soluzione, senza dubbio, più interessante in quanto non sono presenti
emissioni inquinanti.
Fig. 4: Elettrolisi dell'acqua
Oggigiorno, però, questa tecnologia copre solo il 5% della produzione mondiale, in quanto
economicamente non conveniente rispetto alle altre soluzioni, ma in un futuro in cui
l'energia elettrica proverrà da fonti rinnovabili (eolico, geotermico, fotovoltaico, ecc.) essa
potrà essere ampiamente usata.
L'elettrolisi avviene tramite l'utilizzo di un fascio elettronico che attraversa la soluzione
acquosa (soluzione alcalina con idrossido di potassio che si comporta da elettrolita).
Si genera un campo elettrico che permette la scissione dell'ossigeno e dell'idrogeno della
molecola di acqua che diventano ioni. L'anodo è separato dal catodo mediante un
diaframma microporoso permeabile solamente agli ioni. L'idrogeno si accumula dalla parte
del catodo, l'ossigeno viceversa da quella dell'anodo. Il processo di elettrolisi richiede
acqua costantemente reintegrata ed elettricità, fornendo in uscita ossigeno e idrogeno,
quest'ultimo caratterizzato da un notevole livello di purezza, circa 99,95% e ad una
pressione di 6 bar. E' da sottolineare che l'idrogeno ottenuto, quindi, non necessita di
processi di purificazione a posteriori costosi ed è adatto all'uso nelle fuel cell, soprattutto
per quelle di uso automobilistico.
Per ottenere un impatto ambientale nullo è necessario che l'energia elettrica provenga da
fonti rinnovabili. Essendo un processo sempre attivabile lo si potrebbe utilizzare nelle
fasce di minor necessità energetica (ore notturne) quando ad esempio le centrali
idroelettriche lavorano a capacità ridotta. Così non si sovraccaricherebbe la rete. Si tratta,
cioè, di utilizzare l'idrogeno come vettore o volano energetico per l'immagazzinamento e lo
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scambio.
Il rendimento dell'elettrolisi è di 65% e questo spiega l'attuale bassa diffusione.
Per incrementare l'efficienza energetica si sta studiando una nuova tipologia di elettrolisi
detta ad alta temperatura o HTE (High Temperature Electrolysis).
Essa si svolge a temperature nel range 100-850°C ed è economicamente più efficiente
perché parte dell'energia viene fornita come calore che è più economico dell'elettricità e
anche perché l'elettrolisi stessa diventa più efficiente alle alte temperature.
Fig. 5: Schema riassuntivo dei metodi ti produzione dell'idrogeno e del suo utilizzo
5.Purificazione dell'idrogeno
L'idrogeno a seconda della lavorazione può presentare più o meno impurità a fine
produzione. Il tipo di impiego, poi, richiederà un determinato grado di purezza.
Ad esempio, per il funzionamento delle fuel cells è importante avere un'elevata purezza,
per impedire l'avvelenamento dei catalizzatori presenti che ne ridurrebbe l'efficienza.
Se l'idrogeno è prodotto mediante steam reforming, ossidazione parziale o pirolisi le
sostanze estranee possono essere rimosse al momento stesso della produzione per cui si
otterrà direttamente un idrogeno parzialmente purificato.
Se l'idrogeno è prodotto da oli combustibili, carbone, gas naturale o biomasse, è possibile
applicare questi processi direttamente alle materie utilizzate prima di andare a produrre
l'idrogeno.
Esistono separatori per la rimozione delle polveri che, anche se con efficienza elevata
(98%), hanno un'applicazione limitata poiché permettono la rimozione solo delle particelle
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con spessore maggiore a 5 mm.
Per quanto riguarda la purificazione a posteriori, cioè dopo la produzione, avviene con il
PSA ovvero l'assorbimento a pressione discontinua, in cui l'idrogeno grezzo è costretto ad
attraversare sotto pressione un filtro al carbonio attivo o un reticolato di molecole di
carbonio. Ad intervalli regolari è necessario rigenerare il filtro con una pulitura e questo
crea discontinuità nel processo.
Però, questo è il processo che permette di ottenere la più elevata purezza dell'idrogeno
(99,99%). Il costo di questi processi dipende dal grado di purezza desiderato, dalla
grandezza degli impianti e anche dal grado di contaminazione dei gas da trattare.
Si stanno studiando nuovi materiali che permettano di contenere i costi di purificazione e
che permettano anche una purificazione dell'idrogeno direttamente on-board, nel serbatoio
del veicolo un attimo prima del consumo.
17
CAPITOLO 2
Lo stoccaggio e il trasporto dell'idrogeno
L'idrogeno, una volta prodotto, deve essere reso disponibile sul territorio. E' necessario,
allora, risolvere la questione relativa al suo trasporto, al suo stoccaggio e alla sua
erogazione.
Attualmente la sua diffusione è molto limitata e questo è un problema per quanto riguarda
la sua fruizione come combustibile. In Nord America, Canada, Australia e in Europa si
contano circa un centinaio di stazioni. Per quanto riguarda la realtà europea, l'approccio è
stato quello di realizzare alcune unità operative nelle città principali, unità che
diventeranno la base per un futuro incremento della rete. I metodi di stoccaggio dipendono
dal tipo di uso dell'idrogeno che si andrà a fare. Per la trazione automobilistica, ad
esempio, sarà necessario un sistema di stoccaggio relativamente economico, compatto,
leggero e di facile utilizzo e rifornimento. Nel caso di grandi trasporti, invece, prevale la
necessità di stoccare la massima quantità possibile.
L'idrogeno può essere immagazzinato nelle seguenti forme:
1. allo stato gassoso compresso
2. allo stato liquido
3. idruri metallici
4. idruri chimici
5. nanostrutture di carbonio
6. all'interno di microsfere di cristallo
7. altri metodi
1.Stoccaggio
1.1.Stato gassoso compresso
L'idrogeno può essere immagazzinato allo stato gassoso compresso all'interno di bombole
che vengono poste all'aperto in zone protette oppure raccolte in magazzini, a livello del
terreno o interrati.
Come primo passo il gas viene compresso e poi immesso in bombole speciali di geometria
cilindrica molto resistenti. Con compressori radiali è possibile comprimere grandi quantità
18
di idrogeno in tempi brevi, mentre se l'obiettivo è ottimizzare la spesa energetica di
compressione si utilizza una serie di compressori assiali montati sullo stesso albero,
facendo sì che la fase di compressione avvenga in più stadi. Alla fine della compressione
l'idrogeno si trova ad una pressione di 200-250 bar. E' necessario trovare un equilibrio tra
la spesa di processo e la quantità di energia che si vuole ottenere. Questo è un punto
problematico perchè già a 200-300 bar l'idrogeno ha una densità di energia di soli 2-2,6
MJ/1 contro i 31,6 della benzina.
Necessita quindi di serbatoi più grandi e pesanti. Per la trazione automobilistica sarà
necessaria una quantità di idrogeno superiore ai 2 Kg per le citycar, 4 Kg per una berlina
con autonomia paragonabile con le attuali
Pressione
Quantità in peso di idrogeno (Kg) Quantità in peso di idrogeno (Kg)
(bar)
contenuta in un m3 a 25°C (298 K) contenuta in un m3 a 0°C (273 K)
1,0133
0,0823
0,098
30,39
2,42
2,64
151,98
11,30
12,27
202,65
14,64
15,86
253,31
17,79
19,22
354,63
23,56
25,35
506,62
31,11
33,28
607,95
35,53
37,88
702,27
39,56
42,04
Tabella 2: quantità di idrogeno in Kg contenuta in un metro cubo al variare della pressione e della temperatura
Per il settore dell'automotive sono stati realizzati serbatoi in alluminio e fibra di carbonio e
kevlar capaci di sopportare 700 bar pur avendo un peso ridotto rispetto ai serbatoi in
acciaio.
Tuttavia essi non sono sempre utilizzabili a causa delle normative di sicurezza (che ne
limita l'uso a 236 bar in Italia). Questioni di sicurezza hanno spinto verso evoluzioni
tecniche delle bombole nel corso degli anni. Dai primi modelli molto pesanti in acciaio (tipo
1) si è arrivati a modelli rinforzati prima solo circonferenzialmente (tipo 2) e poi anche
assialmente coinvolgendo le ogive (tipo 3).
I serbatoi in alluminio e materiali compositi resistenti fino a 700 bar sopra citati
corrispondono al tipo 4.
19
Il lavoro necessario per la compressione è proporzionale al rapporto tra la pressione
iniziale e finale del gas, pertanto ottenere dal processo di produzione idrogeno ad alta
pressione è vantaggioso.
Il lavoro per comprimere un gas adiabaticamente è dato da:
L = (kR/(1-k))*((p2/p1)^((k-1)/k)-1)
R = costante del gas; k = rapporto tra calore specifico a pressione costante e calore
specifico a volume costantemente
1.2.Idrogeno allo stato liquido
Per avere un rapporto di energia su unità di volume maggiore rispetto alla soluzione
gassosa in pressione si può ricorrere all'idrogeno allo stato liquido. Ma esso è stabile ad
una temperatura di -253°C e dovrà dunque essere contenuto in speciali serbatoi di tipo
criogenico che presentano una zona a doppia parete, all'interno della quale viene creato il
vuoto. La soluzione è interessante ma presenta alcune complicazioni. Il punto di
ebollizione dell'idrogeno è di -253°C, una temperatura vicina allo zero assoluto (-273°C) e
per questo diventa costoso mantenerla all'interno del serbatoio. La spesa corrisponde al
30% della quantità energetica del combustibile contenuto nel serbatoio a dispetto dell'8%
nel caso di gas compresso.
Inoltre, a certe temperature i comuni materiali presentano un infragilimento che può
provocare brusche rotture. Qualsiasi innalzamento della temperatura, anche minimo, può
provocare perdite per evaporazione di idrogeno. Questo metodo di stoccaggio è quello
che ha scelto la Casa automobilistica BMW per la sua “Hydrogen 7”.
Fig. 5: Nuova generazione di serbatoi ad idrogeno BMW
Il serbatoio, posto nel bagagliaio, è isolato con pesanti rivestimenti e dispone di un sistema
di recupero dei gas dovuti al riscaldamento dell'idrogeno liquido. Ma nonostante questo
20
recupero in circa dieci giorni gran parte del contenuto viene perso per evaporazione. I
tecnici della BMW sono però fiduciosi di poter risolvere questo problema se verrà deciso di
investire in questa direzione.
1.3.Idruri metallici
Interessante per quanto riguarda l'impiego veicolare è il sistema basato sull'attitudine
dell'idrogeno a legarsi con diversi metalli e leghe metalliche, formando idruri.
Gli idruri metallici sono composti solidi che si formano grazie al diffondere dell'idrogeno nel
reticolo cristallino del metallo andando ad occupare lo spazio interionico. Per ottenere
questa diffusione l'idrogeno fornito dev'essere in pressione ma l'operazione è fattibile a
pressioni relativamente basse (fra 25 e 100 bar). L'immagazzinamento avviene in qualche
minuto e fino al 90% della carica la pressione operativa è costante, mentre poi deve
aumentare. Il procedimento di stivaggio è esotermico, cioè con generazione di calore,
dunque è importante tenere sotto controllo la temperatura tramite un sistema di
raffreddamento. La fase di deidrogenazione è endotermica e solitamente lascia una
giacenza di idrogeno del 10%.
Parlando di veicoli, il calore necessario potrebbe almeno in parte essere fornito dalle fuelcells, che come vedremo necessitano di essere raffreddate. Gli idruri vengono quindi
classificati in base alla loro temperatura di deidrogenazione. Quelli a temperatura
maggiore, oltre i 300°C, hanno prestazioni migliori in termini di stoccaggio e sono basati
sulle leghe di magnesio, ma la ricerca si sta muovendo in direzione di idruri a temperature
più basse (minori di 100°C) in modo da accoppiarli con la cella a combustibile PEM. Nel
concreto, il serbatoio di un'automobile da 70 Kg permetterebbe di stivare 4 Kg di idrogeno
che garantirebbe un'autonomia di 400 Km ad una berlina.
I vantaggi sono: convenienza economica, ingombro ridotto, stabilità dello stoccaggio e
sicurezza dovuta alle basse pressioni.
1.4.Idruri chimici
Un metodo di stoccaggio valido per tempi lunghi di conservazione (superiori ai 100gg) è
quello basato sulla reazione reversibile di idrogenazione del toluene, che porta alla
formazione di metilcicloesano a temperatura e pressione ambiente. L'idrogenazione
avviene a 500°C e consuma all'incirca il 18% dell'idrogeno immagazzinato. Il toluene e il
metilcicloesano sono molto conosciuti quindi si conoscono anche le tecniche per il loro
trasporto ed immagazzinamento. I costi crescono a causa delle risorse e dei mezzi
21
necessari al trasporto di un composto chimico.
Non è applicabile all'automotive a causa della deidrogenazione che non può essere
effettuata on-board.
1.5.Nanostrutture di carbonio
L'invenzione del microscopio a tunnel del 1986 ha portato alla possibilità di manipolare e
posizionare i singoli atomi. Ad esempio, partendo dalla grafite è possibile creare
NANOTUBI e NANOFIBRE, modificando la disposizione degli atomi di carbonio.
I nanotubi sono insiemi di atomi di carbonio con forme allungate e diametri di pochi micron
che assorbono idrogeno a temperatura ambiente. Le nanofibre sono microstrutture
costituite da materiali derivati dalla decomposizione di miscele contenenti idrocarburi e
possono assorbire quantità elevate di gas facilmente. Nella fase di accumulo dell'idrogeno
è necessaria una pressione di 100 bar, per estrarlo di 40 bar.
Le percentuali di assorbimento in peso ottenute variano dall'1% al 60%. Si stima 20%
come valore di riferimento. Questo permette di stivare 4 Kg di idrogeno in un serbatoio di
soli 6,5 Kg. Questo fattore rende le nanostrutture ideali per gli autoveicoli ma lo sviluppo è
ancora in fase sperimentale.
1.6.Microsfere di cristallo
Un altro metodo di stoccaggio per l'idrogeno è costituito da microsfere in cristallo di
diametro 30-150 μm con spessore della crosta superficiale di 1 micron.
Sono, dunque, molto comode per il trasporto, soprattutto nel caso veicolare, poiché hanno
la consistenza della polvere. Inizialmente sono vuote e vengono poi caricate facendo
assorbire l'idrogeno attraverso la superficie della sfera che diventa permeabile nelle
condizioni di processo ad una temperatura di 200-400°C. Nella fase di carica l'idrogeno
deve essere ad alta pressione. La carica finisce quando si esaurisce il gradiente di
pressione tra interno della sfera ed esterno. La fase di rilascio richiede che le sfere
vengano riscaldate per rilasciare l'idrogeno contenuto.
1.7.Il sistema di stoccaggio migliore
Per capire qual è il metodo migliore di stoccaggio bisogna considerare diversi aspetti:
l'utilizzo che si deve fare del gas, la quantità di energia per volume richiesta dall'impiego,
la durata dell'immagazzinamento, i volumi disponibili, la vita in esercizio dei sistemi di
accumulo, la sicurezza, i costi.
22
Il parametro fondamentale resta comunque la densità di energia.
Se si deve trasportare una quantità piccola di idrogeno si ricorre ad una compressione
semplice, poco costosa e senza il problema delle perdite per evaporazione. Per tempi di
immagazzinamento lunghi si porta a liquefazione l'idrogeno. La tecnologia a idruri metallici
non è ancora pronta per usi automobilistici per problemi relativi alla gestione del calore e
per una peso ancora eccessivo.
I tempi non sono ancora maturi per utilizzare le nanostrutture di carbonio, ma restano
interessanti magari per il futuro.
120
100
80
Quantità di idrogeno
[g/lù]
60
40
20
0
Idrogeno 300 bar
Idrogeno 700 bar
idrogeno liquido
idruri metallici
Fig. 6: confronto tra le varie tipologie di stoccaggio
1.8.La sicurezza
Nello stoccaggio dell'idrogeno è di fondamentale importanza il fattore sicurezza.
L'idrogeno diffonde molto in fretta (2,8 volte più velocemente del metano e 3,3 più
dell'aria), è molto volatile e infiammabile. In ambienti chiusi può formare una miscela
detonante con l'aria. Tuttavia non è più pericoloso della benzina.
Anzi, per l'idrogeno una fuga risulta meno pericolosa rispetto alla benzina poiché, essendo
la diffusione più rapida, un'eventuale vampata porterebbe ad una fiamma più localizzata,
di minor durata e con sviluppo verticale.
Nel 2001 il Dr. Michael R. Swain dell'Università di Miami, ha messo in atto un esperimento
per dimostrare se sia più pericolosa un'anomalia su un'auto a benzina o una ad idrogeno.
23
Le auto in esame sono identiche a differenza del serbatoio. Il test inizia con una fuoriuscita
di combustibile ed un suo incendio generati volontariamente e allo stesso istante.
Nell'auto a benzina è stato forato un condotto che porta benzina al motore. Sono stati
usati 2,3 litri di combustibile che corrispondono a circa 20.000 kcal. Nell'auto ad idrogeno
viene simulata una perdita di pressione dalla valvola di sicurezza. L'idrogeno (1,5 Kg pari
a 44000 kcal) viene rilasciato in 100 secondi. Anche se l'idrogeno, dunque, non è più
temibile della benzina, la sensoristica usata per scongiurare ogni pericolo è molto usata in
ogni applicazione.
2.Il trasporto
Le modalità di trasporto dell'idrogeno dipendono dalla distanza che deve essere percorsa
e dal tipo di impiego che esso andrà a svolgere nel luogo di destinazione.
2.1.Trasporto su strada
Fig. 7: Autocarro criogenico per il tasporto
di idrogeno liquido
Per soddisfare richieste di 1500 – 2000 m 3/h si utilizzano bombole contenenti idrogeno allo
stato gassoso alla pressione di 200 bar trasportate in carri bombolai. E' possibile
trasportare fino a 4200 m3 di idrogeno. Al fine di aumentare la quantità trasportata si può
attuare un trasporto allo stato liquido in serbatoi criogenici. Un serbatoio di questo tipo, se
di grandi dimensioni, può contenere 45.000 litri di idrogeno liquido. Ma questa soluzione è
problematica dal punto di vista della sicurezza. Un eventuale incidente con danni ai
contenitori dell'idrogeno liquido potrebbe provocare un firewall, ovvero un fronte di fiamma
causato dalla combustione violenta dell'idrogeno, determinata dalla differenza notevole di
temperatura fra interno del serbatoio ed esterno. Il trasporto su rotaia o navale è, quindi,
24
più indicato. Quando sarà possibile usare su vasta scala i serbatoi ad idruri metallici questi
pericoli saranno evitati.
2.2.Gasdotti
Fig. 8: Idrogenodotto
L'idrogeno può venire trasportato anche attraverso dei gasdotti, detti idrogenodotti, simili a
quelli che si usano per il gas naturale ma con delle caratteristiche particolari dovuti alle
proprietà fisiche specifiche dell'idrogeno: inodore, incolore, altamente infiammabile.
Per questo è necessario installare speciali nonché sofisticati sensori che rendano possibile
il controllo e la protezione del gasdotto. In media gli idrogenodotti hanno un diametro di
35-50 mm e l'idrogeno li percorre allo stato gassoso alla pressione di 20-100 bar. In alcuni
gasdotti l'idrogeno viaggia in forma liquida, ma le condizioni a cui deve essere mantenuto
(-23°C) e la difficoltà nell'uso dei materiali metallici a questa temperatura non rendono
possibile uno sviluppo di questa tipologia. Gli idrogenodotti si estendono attualmente per
2000 Km in USA e per 1500 Km in Europa.
2.3.Soluzioni “on-board”
A seconda che il veicolo sia a combustione interna ad idrogeno o a fuell cell il sistema di
immagazzinamento può cambiare. Le fuell cell sono caratterizzate da rendimenti migliori,
quindi necessitano di meno combustibile. L'immagazzinamento, in questo caso, può
essere effettuato con semplici serbatoi in pressione. Se il motore è a combustione interna
avrà, invece, consumi maggiori e dunque la scelta obbligata è quella dello stoccaggio
liquido (come scelto da BMW).
La soluzione migliore, tuttavia, è quella ad idruri quando essa sarà pronta per la
commercializzazione. Non esistendo ancora una rete di distribuzione dell'idrogeno
potrebbe essere utilizzata un'altra soluzione nel breve termine: reformer installati
nell'automobile.
25
Usando i combustibili normalmente adoperati, un'auto si rifornirebbe di metano, benzina,
gasolio, etanolo, metanolo e produrrebbe in modo autonomo l'idrogeno che le serve
direttamente on-board.
In questo modo sarebbe possibile l'utilizzo di idrocarburi con un'efficenza decisamente
maggiore di quella odierna (30%, circa 40 Km con un litro di carburante tradizionale).
Inoltre, questi motori sono concepiti per lavorare sempre a pieno rendimento. Un altro
vantaggio è il fatto che si aprirebbe un sistema di trasporti a emissione zero che
diminuirebbe l'inquinamento nei centri abitati.
I requisiti necessari affinché sia possibile la presenza di un impianto di produzione di
idrogeno on-board sono quelli tipici di un veicolo:
•
costo contenuto
•
peso limitato
•
ingombri ridotti
•
efficienza elevata
•
pochi problemi nelle fasi di avvio
•
affidabilità e durata elevate
I metodi di produzione che potrebbero essere sfruttati in questo senso sono: steam
reforming, ossidazione parziale FOX e autotermal reforming.
26
CAPITOLO 3
Le celle a combustibile
Le celle a combustibile o “fuel cells” compongono il cuore dei sistemi di generazione di
energia da idrogeno, sia se ci riferiamo alla produzione stazionaria sia alla propulsione
veicolare.
Le fuel cell sono in grado di coprire una vasta gamma di potenza e sono caratterizzate da
una efficienza molto più elevata se comparata ai sistemi tradizionali di trasformazione
dell'energia. Possono, inoltre, far viaggiare veicoli ad impatto ambientale nullo. Nei motori
a combustione interna o nei sistemi di produzione di elettricità che partono da fonti non
rinnovabili il processo di trasformazione energetico è indiretto “energia chimica-calorelavoro”. Nelle celle a combustibile, invece, è presente un processo diretto. L'energia
chimica contenuta nell'idrogeno viene, cioè, trasformata in lavoro direttamente all'interno
delle fuel cell, e questo senza che ci siano parti in movimento. Minori passaggi nel ciclo di
trasformazione dell'energia comportano che le celle a combustibile siano la soluzione più
efficiente. Un altro motivo del successo di tale soluzione è il fatto che, mentre i motori
tradizionali a combustione interna possono lavorare al massimo del rendimento ad un
determinato intervallo di giri, peraltro molto ristretto, le fuel cell possono funzionare a
rendimento elevato praticamente costantemente.
Il rendimento di un motore termico è circa del 20% (benzina 18%, diesel 22%), mentre un
motore elettrochimico a fuel cell di tipo PEM (di cui si parlerà più avanti) ha un'efficenza
elettrica tra il 45% e il 55%. Riutilizzando il calore prodotto si raggiungono valori del 8090%.
1.Storia delle fuel cells
Anche se solamente all'inizio degli anni '90 comparvero i primi prototipi di automobili e
autobus ad idrogeno a celle a combustibile prodotti dalle Case automobilistiche maggiori,
le fuel cell erano state inventate molto tempo prima.
I primi esperimenti risalgono al 1839, ad opera di Sir William Grove (1811 – 1896). Egli, tre
anni dopo aver messo a punto la prima cella elementare, ne realizzò una serie di 50
esemplari che denominò: “ pila voltaica gassosa”.
La cella usava due elettrodi di platino immersi in acido solforico che fungeva da elettrolita.
Si trattava di semplici ampolle di vetro con la parte più bassa immersa in una soluzione di
27
acido fosforico. Contenevano alternativamente idrogeno e ossigeno ed erano collegate in
serie con elettrodi di fogli di platino posti in contatto con i gas sopraddetti e con l'acido
solforico.
Grove, però, non riuscì ad arrivare a potenze interessanti e abbandonò le sue ricerche.
Altri scienziati cercarono di proseguire il cammino iniziato da Grove, ma senza risultati fino
a che Francis Thomas Bacon (1904 – 1992), un secolo dopo, ne costruì altre adottando
questa volta un elettrolita alcalino ed elettrodi porosi in nichel. Tali celle funzionavano a
200°C e alla pressione di 4 bar (per evitare che l'elettrolita andasse in ebollizione).
La velocità di reazione aumentava e si evitava l'uso degli elettroliti in platino, molto costosi.
Nel 1959 realizzò una batteria di 40 celle che usò per alimentare, a scopo dimostrativo,
una saldatrice di 5 kW. Nello stesso anno, Harry Ihiring presentò un trattore marchiato Allis
– Chalmers a fuel cells con una potenza di 15 kW. Le fuel cells erano alimentate a
propano, combustibile reperibile, ricco di ossigeno e idrogeno e povero di anidride
carbonica la quale avvelenerebbe le celle. Non funzionava, dunque, ad idrogeno puro ma
può comunque essere classificato come il primo veicolo a fuel cells. Dagli anni '60 in poi i
passi in avanti divennero più rapidi e puntarono su nuovi elettrodi a porosità controllata,
sull'utilizzo di materiali più efficienti e su condizioni di reazione diversificate (temperatura e
pressione superiore a quelle ambientali).
In questo periodo la Allis – Chalmers sviluppò processi industriali basati su questa
tecnologia e la NASA adotto le fuel cells per i progetti Gemini e Apollo come fonte di
energia e acqua potabile per gli equipaggi, preferendoli ai pannelli fotovoltaici
(ingombranti) e ai reattori nucleari (rischiosi per un impiego a bordo).
2.Componenti
Una cella a combustibile ha una struttura a strati, con
lamine costituite da conduttori a struttura porosa che
fungono da anodo e catodo. Nella maggior parte di
esse,
presso
dell'idrogeno
l'anodo
vengono
utilizzando
un
prodotti
elettroni
catalizzatore.
Essi
reagiscono a livello del catodo con l'ossigeno e con gli
ioni di idrogeno che provengono dall'anodo attraverso un
materiale interposto.
Fig. 9: schema di una fuel cell
Questo materiale deve essere un elettrolita e ha la proprietà di poter essere attraversato
da alcuni tipi di ioni, di essere impermeabile alle cariche elettroniche (altrimenti il
28
rendimento della cella risulterebbe più basso) e possibilmente di essere poco sensibile alla
presenza di CO2 che tende ad avvelenarlo. L'elettrolita può essere un acido se si presenta
in forma liquida (presenta ioni liquidi) oppure un materiale elettrolitico o polimerico nel
caso sia solido. Essendo un elettrolita di questo tipo di facile gestione la ricerca si sta
orientando in questa direzione. Il catalizzatore è un'altra componente essenziale della fuel
cell: è necessario per quelle celle che lavorano a temperature relativamente basse (60100°C) perché in questo caso l'energia non è sufficiente all'innesco della reazione ad una
velocità adeguata. Il catalizzatore viene realizzato in Platino (molto costoso), in Rutenio e
in Palladio. L'impiego di quest'ultimo evita la generazione di residui che potrebbero far
degenerare gli elettrodi se l'idrogeno non fosse perfettamente puro.
3.Funzionamento
I principali parametri che caratterizzano il funzionamento di una cella sono la temperatura,
le caratteristiche chimiche dell'elettrolita e il materiale di cui è fatto l'elettrodo.
Per far si che la cella lavori a lungo e in modo ottimale è necessario assicurarsi che
vengano tenuti sotto controllo la corrosione degli elettrodi, eventuali depositi indesiderati
su di essi, l'impermeabilità agli elettroni dell'elettrolita.
Quando l'idrogeno dall'esterno viene introdotto nella cella, si attiva la produzione di ioni e
di elettroni nella zona di contatto tra anodo ed elettrolita. Si originano così due flussi che
terminano entrambi al catodo. Uno legato al movimento degli elettroni che avviene
attraverso il filo conduttore che collega gli elettrodi e che instaura una corrente elettrica
capace di alimentare un'utenza più o meno grande. Un altro legato al movimento di ioni H +
attraverso l'elettrolita e verso il catodo.
Sul catodo avviene la seconda parte della reazione di ossidoriduzione: gli elettroni si
combinano coi cationi di idrogeno che hanno attraversato l'elettrolita e una certa quantità
di ossigeno fornito all'esterno, generando l'acqua.
All'anodo quindi si ha:
2H2 → 4H+ + 4eanodo: idrogeno → ionio idrogeno + elettroniche
29
Al catodo:
02 + 4H+ + 4e- → 2H2O
catodo: ossigeno + elettroni + ioni idrogeno → acqua
In corrispondenza dell'anodo e del catodo si avranno dei potenziali elettrici detti
rispettivamente: “anodico” e “catodico”, che dipendono dalle reazioni sopra descritte.
La differenza dei due potenziali fornisce il valore della tensione disponibile teoricamente ai
capi della cella. Però tale caratteristica non dipende solo dalla natura delle reazioni, ma
anche da fattori che interessano la struttura degli elettrodi e le proprietà chimiche dei
materiali che vengono usati nelle celle. Una cosa importante è la parzializzazione
(modulazione della potenza richiesta). Nelle celle a combustibile avviene in funzione della
corrente richiesta dall'utilizzatore. Se la potenza necessaria è elevata i flussi di ioni sono
maggiori e le reazioni sono mantenute attive. Se la richiesta di potenza è nulla le reazioni
non hanno luogo e non c'è consumo di combustibile. Il vantaggio è che l'efficienza della
reazione non varia di molto parzializzando la potenza richiesta.
Fig. 10: Funzionamento di una fuel cell
30
4.Tipologie di fuel cells
Le famiglie principali di fuel cells sono sei e si differenziano in base ai materiali che le
costituiscono e alla reazione chimica che sta alla base del loro funzionamento. Ma la
classificazione più usata è quella che distingue le celle a combustibile in base al tipo di
elettrolita usato all'interno. L'impiego di una famiglia piuttosto di un'altra dipende poi dalle
condizioni operative e dalle applicazioni. Le celle a combustibile si possono allora
raggruppare nel seguente modo:
•
ad elettrolita alcalino (A – FC Alkaline Fuel Cell)
•
a membrana polimerica a scambio protonico (PEM-FC)
•
ad alimentazione diretta di metanolo (DM-FC)
•
ad acido fosforico (PA-FC)
•
a carbonati fusi (MC-FC)
•
ad ossidi solidi (SO-FC)
4.1.Fuel cells ad elettrolita alcalino (A-FC)
Fig. 11: funzionamento di una cella A-FC
La cella a combustibile con elettrolita alcalino detta anche pila a combustibile di Bacon (da
Francis Thomas Bacon) è la tipologia di celle che ha permesso all'uomo di arrivare sulla
Luna. La NASA, infatti, le ha usate a partire dalla metà degli anni '60 nelle missioni Apollo
fino all'attuale programma Space Shuttle.
Esse operano mediamente a temperature tra i 60°C e i 120°C. Come elettrolita usano
l'idrossido di potassio (KOH) in soluzione nell'acqua. La sua concentrazione cambia in
funzione della temperatura operativa, variando da un 33% per le cells operati agli 80-90°C,
31
fino all'85% per alcune operanti a 250°C. L'elettrolita si trova allo stato liquido e quindi
viene trattenuto da una matrice leggera che solitamente è di amianto.
Lo ione mobile è l'idrossido OH -, che reagisce all'anodo con l'idrogeno proveniente
dall'alimentazione e produce acqua ed elettroni.
2H2 + 4OH- → 4H2O + 4e- : reazione all'anodo
Gli elettroni così prodotti si dirigono al catodo e qui si combinano con l'ossigeno (che viene
fornito) e con l'acqua presente nell'elettrolita alcalino. Tale reazione forma altri ioni OH-.
O2 + 4e- + 2H2O → 4OH- : reazione al catodo
L'anodo e il catodo sono elettrodi porosi a base di nichel e grafite. I materiali catalizzatori
possono essere: Platino, Argento, Oro e Palladio. Le reazioni avvengono nella zona di
contatto fra elettrodo, elettrolita e gas (fase liquida, solida e gassosa).
VANTAGGI E SVANTAGGI
Le celle alcaline funzionano bene anche con una quantità piccola di catalizzatore e hanno
buoni rendimenti. Il limite principale è, però, la necessità che come combustibile sia
utilizzato idrogeno puro e come comburente ossigeno puro: questo evita la degenerazione
dell'elettrolita ma la rende una soluzione poco utilizzabile a livello veicolare. Se l'ossigeno
infatti reagisse con l'anidride carbonica essa reagirebbe con gli ioni OH - formando ioni
carbonato e portando al blocco la cella.
4.2. Fuel cells PEM
Questo tipo di fuel cell opera a bassa temperatura e l'elettrolita è allo stato solido. Le celle
PEM lavorano a temperature tra gli 80 e i 100°C e in stack (cioè unite a pacco) arrivano
anche a 250 kW di potenza, con rendimenti variabili da 60% a 80% se viene riutilizzato il
calore generato sfruttando il meccanismo di cogenerazione.Il materiale che compone la
membrana
elettrolitica
è
il
Naflon,
un
polimero
derivato
dal
Teflon,
che
è
semimpermeabile: consente, cioè, il passaggio dei soli ioni positivi e crea un isolamento
elettrico. Essa funziona solo se impregnata di una precisa quantità di acqua ed è questa la
problematica principale per questo tipo di cella, in quanto deve essere controllato
attentamente l'apporto di liquido durante il funzionamento (umidificando l'idrogeno e l'aria
32
introdotti) e deve essere evitata la situazione in cui l'acqua prodotta dalla reazione porti
all'”annegamento” della membrana. Il catalizzatore è il platino, depositato o tra gli elettrodi
porosi o sulla faccia esterna della membrana.
Le reazioni all'anodo sono:
2H2 → 2H+ + 2eAl catodo, invece:
½ O2 + 2e- + 2H+ → H2O
Fig.12: funzionamento di una cella PEM
VANTAGGI E SVANTAGGI
Le fuel cells a membrana polimerica richiedono solo idrogeno proveniente da un serbatoio
o da un reformer on-board e aria ambientale.
Non richiedono l'aggiunta di liquidi corrosivi come accade, invece, per altre tipologie di
celle. E' necessario, però, un catalizzatore di platino, il quale comporta un aumento dei
costi totali. Esso, inoltre, è a rischio avvelenamento causato dalla CO, quindi è preferibile
usare un idrogeno abbastanza puro per evitare l'uso di un reattore che rimuova il
monossido di carbonio. Le ricerche si stanno direzionando verso catalizzatori al
platino/rutenio, più resistenti alla CO.
Le celle PEM sono molto leggere e vantano una potenza specifica maggiore rispetto alle
altre fuel cells. Per questo esse sono molto considerate per eventuali applicazioni in
ambito automobilistico.
E' necessario, infine, che la membrana elettrolitica rimanga adeguatamente idratata
mediante un sistema ausiliario di ridotte dimensioni.
33
4.3. Fuel cells ad alimentazione diretta di metanolo
Fig. 13: schema di funzionamento di una cella
ad alimentazione diretta di metanolo
E' una tipologia simile alle celle PEM poiché l'elettrolita è una membrana polimerica. A
differenza delle PEM, però, esse non sono alimentate ad idrogeno ma a metanolo.
Non è più necessario disporre di un reformer che ricavi idrogeno da un combustibile
tradizionale. Questo tipo di celle sono ancora in fase di sviluppo e funzionano tra i 60° e gli
80°C, valori interessanti per quanto riguarda le applicazioni sugli autoveicoli.
Per l'attivazione e il mantenimento delle reazioni è necessaria una quantità più elevata di
materiale catalizzatore rispetto alle PEM a idrogeno. I catalizzatori usati sono Platino e
Rutenio.
Le reazioni all'anodo sono:
CH3OH + H2O → CO2 + 6e- + 6H+
Le reazioni al catodo:
3/2 O2 + 6e- + 6H+ → 3H2O
VANTAGGI E SVANTAGGI
Il maggior vantaggio di questa soluzione è che la diffusione del metanolo è giù buona,
soprattutto negli Stati Uniti; dunque, non bisognerebbe aspettare la lenta creazione di una
rete di distribuzione di idrogeno.
Le applicazioni sono variegate: non si parla solo di settore automobilistico ma anche del
mondo dell'elettronica, poiché una cella singola produce un potenziale di 1,21 V, il che ben
si adatterebbe a telefonini, computer, telecamere.
Gli svantaggi sono: la richiesta di quantità maggiori di catalizzatori, la produzione di CO
come prodotto intermedio della reazione, che tende ad avvelenarle. La produzione di CO 2,
invece, pur essendo esigua, va controllata per non creare problemi ambientali e può
34
essere ridotta del 20% mediante opportuni catalizzatori.
Fig. 13: Dynario – dispositivo della Toshiba che
utilizza batterie basate su celle a metanolo
4.4.Fuel cells ad acido fosforico
Queste celle prevedono l'uso di una soluzione ad alta concentrazione (95%) di acido
fosforico liquido (H3PO4) come elettrolita, trattenuta da una matrice di carburo di silicio
interposta tra i due elettrodi di grafite.
Esse operano ad una pressione variabile da 1 a 10 bar e alla temperatura di 200°C (celle
a media temperatura).
Le celle PA-FC sono le prime di una nuova generazione di celle e sono le più usate oggi in
commercio.
Le reazioni all'anodo sono:
2H2 → 4e- + 4H+
Le reazioni al catodo:
O2 + 4e- + 4H+ → 2H2O
Fig. 14: schema di funzionamento di una PA-FC
35
VANTAGGI E SVANTAGGI
Le celle ad acido fosforico sono adatte ad applicazioni stazionarie, anche se in alcuni casi
sono state utilizzate per alimentare veicoli pesanti come gli autobus.
Raggiungono rendimenti dell'85% se viene sfruttata la cogenerazione recuperando il
calore in eccesso. Altrimenti esso si aggira attorno ai 37 – 42%.
Infine, esse risultano avere una buona durata e affidabilità perché sono meno sensibili
all'avvelenamento da impurità presenti nei combustibili fossili.
A parità di peso e volume hanno, però, una potenza inferiore rispetto alle altre tipologie,
per questo spesso risultano pesanti ed ingombranti, di conseguenza poco adatte all'uso su
automobili. A questo svantaggio va aggiunto poi il costo elevato degli elettrodi di platino
che perdono, oltretutto, efficienza a contatto con CO o con composti a base di zolfo che
potrebbero essere intrappolati nell'idrogeno.
Necessitano, poi, di un efficace sistema di raffreddamento e una buona gestione
dell'acido.
4.5.Fuel cells a carbonati fusi
Fig. 15: schema di funzionamento di una cella a carbonati fusi
Le celle a carbonati fusi sono in via di sviluppo per impianti industriali che usano gas e
carbone come fonti. L'elettrolita è una miscela di sali alcalini come carbonato di litio, di
sodio, di potassio, sospesi in una matrice ceramica porosa inerte come LiAlO 2 (alluminato
di litio). La temperatura di funzionamento è di 600 – 680 °C e permette l'utilizzo di elettrodi
non troppo costosi e trasforma l'elettrolita in un sale fuso permeabile agli ioni carbonato
(CO32-). L'anodo è a base di nichel cromo e il catodo di ossido di nichel e litio. Non serve
un catalizzatore nobile poiché l'alta temperatura sostiene le reazioni elettrochimiche.
Tali reazioni all'anodo sono:
H2 + CO32- → H2O + 2e- + CO2
36
e al catodo:
½ O2 + 2e- + CO2 → CO32VANTAGGI E SVANTAGGI
I costi di realizzazione sono contenuti grazie all'eliminazione di elettrodi in platino. Tali celle
sono immuni all'avvelenamento da CO che può essere, quindi, usato come combustibile.
L'elevata temperatura d'esercizio permette un processo di reforming interno che ricava
idrogeno dal combustibile tradizionale senza un reformer esterno.
Lo sfruttamento del calore prodotto con cicli termodinamici o come fonte di riscaldamento,
porterebbe il rendimento globale (65%) fino al 90%.
Queste celle hanno un'elevata flessibilità nell'utilizzo di composti di alimentazione e sono
adatte alla generazione stazionaria di energia elettrica. Lo svantaggio è la durata bassa.
L'elettrolita corrosivo e le temperature elevate accelerano l'usura delle componenti.
4.6.Fuel cells a ossidi solidi
Fig. 16: schema di funzionamento di una cella a ossidi solidi
Le celle ad ossidi solidi usano un elettrolita costituito da ossido di zirconio stabilizzato con
ossido di ittrio. E' un composto ceramico – metallico non poroso che può anche non avere
la tipica struttura a lamine sovrapposte delle altre celle.
Possono avere, infatti, varie configurazioni: tubolari, planari, monolitiche.
Esse funzionano ad alte temperature (1000°C) grazie alla resistenza termica del materiale
scelto come elettrolita. Tali temperature permettono ottime velocità di reazione senza l'uso
di catalizzatori di materiali pregiati e costosi. Permettono il reforming di qualsiasi tipo di
carburante senza dover aggiungere sistemi ausiliari che forniscano il calore. Queste celle
presentano solo due fasi (solida e gassosa) e questo permette di eliminare il problema
37
della corrosione. L'anodo è costituito da un materiale ceramico – metallico fra ossido di
zirconio e nichel poroso (composti ceramici detti “cermet”), mentre il catodo si basa su
manganito di lantanio drogato con stronzio (La(Sr)MnO3).
Le reazioni all'anodo:
H2 + O2 → 2e- + H2O
Al catodo:
½ O2 + 2e- → O2Le fuel cells di questo tipo possono usare idrogeno come combustibile e producono
vapore d'acqua. Quindi anche in questo caso è possibile accoppiare le celle ad un ciclo
termodinamico per sfruttare il calore portando il rendimento a 70%, fino a 92% con la
cogenerazione.
VANTAGGI E SVANTAGGI
Le celle non possono essere di materiali ferrosi a causa delle alte temperature. Sono
d'obbligo materiali ceramici. Il loro avvio è lento e sempre a causa del calore elevato sono
richieste adeguate schermature di protezione per il personale. Questo pregiudica il loro
utilizzo su autoveicoli.
I vantaggi, d'altro canto, sono molti. Il rendimento è elevato e non necessitano di
catalizzatori. Possono, inoltre, usare gas naturale come combustibile di partenza ed usare
il reforming all'interno del ciclo. Per di più possono usare come combustibile il CO prodotto
agli stadi intermedi della reazione senza rimanerne avvelenate. Possono quindi usare gas
ottenuti dal carbone. Ancora, si ha l'assenza di fenomeni come la corrosione e le
impurezze presenti hanno una bassissima sensibilità.
I costi di produzione sono modesti. Esse sono interessanti per le applicazioni stazionarie.
La ricerca sta cercando di sviluppare celle di questo tipo che lavorino a temperature più
basse (800°C) per limitare i problemi di durata dei materiali. L'energia prodotta sarebbe
però minore e non sono ancora stati trovati i materiali in grado di far lavorare gli stack a
queste temperature.
38
5.Considerazioni sulle diverse tecnologie
Gli elementi da cui dipendono le scelte applicative delle varie celle sono la potenza
richiesta, i costi e la disponibilità di combustibile.
In ambito automobilistico si vanno ad aggiungere le esigenze in termini di sicurezza,
ingombro e affidabilità legate ai vari componenti delle fuel cells (elettrodi, elettrolita,
sistemi ausiliari).
CELLE A BASSA TEMPERATURA
Sono le celle alcaline, le PEM e quelle a metanolo, che sono caratterizzate da:
◦ minori vincoli tecnologici e possibilità di impiego di materiali meno sofisticati
◦ necessità di un catalizzatori nobile per facilitare le reazioni
◦ rendimenti del 45 – 55% (il valore maggiore si ha per le celle alcaline)
◦ difficoltà nel riutilizzare il calore prodotto, in quanto fornito a bassa temperatura
CELLE AD ALTA TEMPERATURA
Fra queste si trovano le celle ad acido fosforico (considerate a media temperatura), a
carbonati fusi e ad ossidi solidi. Presentano caratteristiche opposte a quelle precedenti e si
adoperano prevalentemente ad uso stazionario per impianti di taglia maggiore, il loro
rendimento elettrico però va dal 50 al 65% e nel caso con cogenerazione raggiunge valori
tra il 70 e il 90%. Globalmente le fuel cells presentano molteplici pregi, come la capacità di
coprire una vasta gamma di potenze elettriche sia in base alla tipologia, sia in base al
numero di stack impiegati. Si va dalle fuel cells a metanolo per piccoli apparecchi elettrici
fino agli impieghi fissi da 1-10 MW, il tutto ad impatto ambientale nullo e lavorando con
emissioni acustiche quasi assenti. Non essendoci parti in movimento, la manutenzione
diviene molto meno gravosa, se non nulla.
Forniscono, inoltre, rendimenti più elevati rispetto alle tradizionali fonti di energia, che fra
l'altro restano insensibili alle variazioni di potenza richiesta a valle, offrendo ulteriormente
la possibilità di riutilizzare il calore eccedente in cogenerazione. I limiti di questa tecnologia
stanno nel costo, che risulta più alto rispetto alle normali fonti energetiche, e
nell'affidabilità. Con l'aumento della domanda, però, i costi potenzialmente diminuiranno
dalle 5 alle 6 volte in futuro.
39
6.Approfondimento: fuel cells PEM
In questo paragrafo analizzeremo più in dettaglio le caratteristiche delle celle a
combustibile PEM (Proton Exchange Membrane) in quanto sono le più indicate per
l'applicazione veicolare. Questo è confermato dal fatto che le varie case automobilistiche
che hanno sviluppato prototipi di auto ad idrogeno hanno installato celle a combustibile di
questo tipo.
6.1.Elettrolita
Perchè la cella PEM funzioni in modo corretto è necessario che la membrana possegga:
▪ buona conducibilità dello ione H+
▪ attitudine a non trasportare ioni di tipo diverso dallo ione H+
▪ impermeabilità totale agli elettroni
▪ il polimero di cui è formata la membrana non deve essere solubile in acqua
▪ l'acqua deve diffondersi in modo omogeneo all'interno della membrana
stessa
▪ la membrana deve essere impermeabile ai gas reagenti
▪ elevata inerzia chimica
Il polimero che è stato sviluppato per essere utilizzato nelle celle PEM è chiamato Nafion.
Lo spessore della membrana varia da 70 a 200 micron.
Per produrre il Nafion si parte dall'etilene per produrre successivamente il polietilene, un
polimero dal quale, dopo il processo di perfluorazione, si ottiene il Teflon.
Quest'ultimo è un materiale caratterizzato da un legame tra carbonio e fluoro molto forte
che gli conferisce particolari proprietà. Esso è infatti molto resistente agli attacchi chimici
ed è idrofobo, cioè espelle l'acqua in eccesso prodotta dalla reazione tra idrogeno ed
ossigeno. Tramite la solfonazione del Teflon si ottiene poi il Naflion, ovvero si aggiunge
alla catena principale del Teflon una catena laterale che termina con un gruppo solfonico
SO3H.
Il Nafion permette il solo passaggio di ioni H + impedendo il passaggio di altri ioni: la
membrana è selettiva. Il punto debole di questo polimero è che utilizzando l'acqua la sua
temperatura non può superare i 100°C altrimenti l'acqua si trasforma in vapore e la
membrana si dissecca e si rompe. Si stanno quindi cercando altri polimeri che permettano
il passaggio di ioni H+ senza l'utilizzo dell'acqua.
40
6.2.Il catalizzatore e gli elettrodi
I due elettrodi sono solitamente formati da grafite porosa ma si possono usare anche atri
materiali. Le semireazioni della cella sono:
H2 → 2H+ + 2e-
(anodo)
½ O2 + 2H+ + 2e- → H2O
(catodo)
che si traducono nella reazione completa:
½ O 2 + H 2 → H 2O
Le reazioni prevedono però anche l'intervento di un catalizzatore solitamente di platino
che accelera la reazione di dissociazione che, ad una temperatura di 60-90°C avverrebbe
troppo lentamente e che rende possibile la dissociazione dell'idrogeno ed il rilascio dei due
elettroni. L'innesco e l'attivazione delle reazioni all'anodo e al catodo avvengono in zone
determinate della cella definite trifase poiché nelle celle a combustibile con elettrolita
liquido nella zona di reazione sono presenti tre fasi: solida, liquida e gassosa.
La zona in cui avviene la reazione è definita strato attivo e ha dimensione di circa 10 μm
sia all'anodo sia al catodo. Il Platino, catalizzatore usano praticamente su tutte le celle
PEM, viene distribuito sulla superficie degli elettrodi per velocizzare la reazione. Viene
depositato con particolari tecniche sopra i grani di carbone cercando di aumentare la
superficie di reazione. Oltre al Platino vengono depositati sulla superficie degli elettrodi
altri metalli come il rutenio e il molibdeno. Essi hanno la capacità di rendere la cella meno
sensibile all'avvelenamento da parte della molecola di CO.
Il Platino, però, ha un corso molto elevato. La ricerca sta, quindi, sperimentando nuovi
materiali catalizzatori che possano abbattere il costo globale e aumentare magari le
prestazioni.
6.3.Tecnologia costruttiva delle celle PEM
6.3.1.Metodo ad elettrodi separati
L'insieme di membrana, strato catalizzato e supporti – diffusori dei gas viene chiamato
MEA (Membrane Electrode Assemply). Per realizzare la MEA esistono diverse tecnologie.
La tecnologia ad elettrodi separati prevede che i piani di supporto, gli elettrodi e la
membrana siano realizzati in modo totalmente indipendente fra loro e che vengano, poi,
assemblati. L'elettrodo è di grafite porosa sul quale vengono diffuse le particelle di platino
e di carbone. Nella parte non attiva l'elettrodo è protetto da un supporto conduttivo formato
da tessuto di carbone. Successivamente si provvede a detergere le superfici della
41
membrana ed infine si accostano ad essa i due elettrodi e si pressa il tutto ad alta
pressione e temperatura. Lo spessore totale di un gruppo MEA è di circa 0,20-0,45 mm
ovvero lo spessore di alcuni fogli di carta sovrapposti.
6.3.2.Metodo ad applicazione diretta
Questa seconda tecnologia costruttiva prevede che gli strati di catalizzatore vengano
depositati direttamente sulla membrana polimerica piuttosto di depositarli sugli elettrodi. La
membrana viene quindi ricoperta da un inchiostro liquido contenente particelle di platino e
di carbone. Successivamente si riscalda la membrana per fissare il catalizzatore. Questo
metodo permette un collegamento migliore tra la membrana e gli elettrodi aumentando
così i rendimenti elettrici della cella. Agli elettrodi viene relegata quindi solo la parte di
supporti rigidi che devono permettere il passaggio della corrente e dei gas.
6.3.3.MEGA
La tecnologia MEGA (Membrane Electrode Gasket Assembly) è una tecnologia molto
recente. Essa è stata ideata per risolvere problemi, come quello della tenuta tra la
membrana polimerica e i piatti bi-polari e dell'ottimizzazione delle interconnessioni fra più
celle. Le guarnizioni tradizionali implicano una certa perdita di superficie di membrana che
ha un elevato costo. La tecnologia MEGA ha tre vantaggi: gestisce meglio la superficie
della membrana rispetto alla MEA, l'assemblato è di più facile realizzazione e se la singola
cella presenta un malfunzionamento è possibile sostituirla senza sostituire l'intero stack.
6.4.I piani di supporto e le piastre collettrici
I piani di supporto si trovano all'esterno degli elettrodi e sono formati da carta carbone o
tessuto di carbone. Il loro spessore è di 150-250 μm. Hanno la funzione di sostenere gli
elettrodi e di facilitare il più possibile il passaggio degli elettroni verso il circuito esterno.
Devono essere porosi per essere attraversati dai gas reagenti. Al catodo la reazione tra
ossigeno e idrogeno produce acqua che deve essere successivamente allontanata
riuscendo, però, a mantenere la membrana umida. Quest'ultimo compito è affidato sempre
ai piani di supporto. Sulla superficie più esterna della cella vengono poi posizionate le
piastre collettrici, le quali distribuiscono i gas provenienti dall'esterno della cella. Inoltre,
devono fungere da collettore per la corrente elettrica generata. Le piastre sono in grafite,
ma si possono usare anche altri materiali a base metallica. Se al posto di una cella usiamo
uno stack (cioè una pila di celle) le piastre saranno presenti solamente alle sue estremità,
42
mentre tra una cella e l'altra saranno disposti piatti bipolari. Per riuscire ad ottenere una
distribuzione il più uniforme possibile dei gas, le piastre vengono lavorate con una
particolare lavorazione meccanica che le rende adatte a raccogliere l'acqua in eccesso
che si forma al catodo.
6.5.Lo stack e i piatti bipolari
La tensione teorica che ogni singola cella può fornire a circuito aperto è di 1,16V. Quando
si chiude il circuito e la corrente comincia ad attraversarlo e la tensione cala secondo
quella che viene chiamata curva di polarizzazione fino ad un valore finale di circa 0,2V.
La tensione misurabile ai capi di una cella dipende dalla quantità di corrente che essa
eroga. Per una densità di corrente di 0,6-0,7 A/cm 2 la tensione sarà di 0,6-0,8V. Se si
calcola la potenza erogata dalla singola cella (P=V*I) otteniamo una potenza di 0,49
W/cm2. Questo valore attualmente è aumentato fino a 0,7 W/cm 2. Prendendo come
riferimento il valore più basso si ottiene che una cella 12x12 cm eroga circa 70W. La
potenza assorbita da quasi tutti gli utilizzatori è più elevata di quella resa disponibile dalla
singola cella. Per questo motivo si ricorre all'utilizzo degli stack di celle che sono un
insieme di celle collegate tra loro in serie. La differenza di potenziale che si misura ai capi
dello stack è pari alla somma delle singole differenze di potenziale. La corrente che
attraversa la singola cella è la stessa per ogni cella dello stack, allora la potenza totale è la
potenza di una cella moltiplicata per il numero di celle. Così è possibile raggiungere la
quantità di potenza richiesta. Per collegare le celle in serie si utilizzano i piatti bipolari.
Essi legano l'anodo di una cella con il catodo dell'altra in modo da fare arrivare l'ossigeno
al catodo e l'idrogeno all'anodo senza che i due gas possano mescolarsi. Devono
oltretutto condurre l'elettricità per garantire il collegamento in serie delle varie celle e
devono occuparsi anche dell'allontanamento dell'acqua in eccesso e del raffreddamento
delle celle stesse. I piatti bipolari sono costruiti con materiali leggeri: grafite o polimero.
6.6.Balance of plant
Uno stack di fuel cells richiede di essere dotato di una serie di sistemi ausiliari che si
occupino di funzioni di servizio come: la gestione del flusso del gas, dell'acqua e il
controllo della temperatura. Questo insieme di sistemi viene chiamato Balance of Plant o
BOP (perdite d'impianto). Poiché tale sistema necessita di energia per funzionare il
rendimento globale diminuisce e scende da valori compresi tra 55-60% a valori tra il 4550%.
43
6.7.Vantaggi e svantaggi degli stack di celle PEM
VANTAGGI
•
la cinetica di reazione all'anodo è molto elevata
•
l'elettrolita è solido, il che ostacola il trafilamento dei gas
•
buona resistenza strutturale
•
tempi ridotti di avvio da freddo (sono inferiori al minuto)
•
rapporto potenza/superficie elevata
SVANTAGGI
•
le membrane sono sofisticate
•
non è possibile utilizzare combustibile diversi da idrogeno molto puro
•
le membrane diventano instabili se si superano i 100°C
•
alcuni materiali impiegati hanno un costo molto elevato (platino)
•
la difficile gestione dell'acqua prodotta e dell'umidificazione della membrana
6.8.L'energia prodotta dalle fuel cells PEM
Per ricavare l'energia che è possibile estrarre da una qualsiasi reazione simile a quella che
avviene in una cella a combustibile si ricorre all'energia libera di Gibbs. La variazione di
questa energia si traduce nell'energia che si può estrarre da una cella.
In una PEM la reazione completa è:
½ O 2 + H 2 → H 2O
La funzione di Gibbs è definita dalla relazione:
G = H – TS
G = energia libera di Gibbs; H = entalpia; T = temperatura espressa in Kelvin; S = entropia.
L'energia di Gibbs riferita ad una mole di composto è:
gf = hf – Ts
Per calcolare l'energia estraibile dalla reazione si utilizza la variazione di energia libera di
Gibbs, cioè la differenza tra l'energia dell'acqua prodotta e quella dell'ossigeno e
dell'idrogeno di partenza. Nel caso di una cella PEM la variazione di energia libera di
Gibbs è data da:
ΔGf = ΔG(prodotto) – ΔG(reagenti)
e se ci si riferisce ad una mole di acqua si usa:
44
Δgf = ΔgH2O(prodotti)- Δg(reagenti)
Nell'ipotesi che le perdite elettriche siano nulle si può pensare che la variazione di energia
libera di Gibbs si trasformi in energia elettrica W el = Δgf H2O. Poiché l'energia elettrica si può
esprimere anche come Wel = Erev * (-2F ) dove E rev sta per la differenza di potenziale tra i
due elettrodi in condizioni ideali e -2F è la carica ottenuta da una mole di idrogeno (ogni
mole di idrogeno libera due elettroni) possiamo ricavare da queste due relazioni la
tensione ideale tra i due elettrodi di una cella:
Erev = -Wel / 2F = - Δgf H2O / 2F
Se la cella lavora ad una temperatura di 80°C il Δgf
H2O
= -228,2 KJ/mole. Sostituendo
nella precedente formula il valore di Δgf H2O e il valore di un Farad (F = 9,6484 x 10 4 C)
otteniamo una d.d.p pari a 1,18V.
Il rendimento energetico della cella, visto come rapporto tra energia ricavata Δgf
H2O
e
l'energia messa a disposizione dal combustibile Δhf è quindi in questo caso:
ηentot = Δgf H2O / Δhf = 0,80
Questo risultato è la conseguenza delle perdite entropiche TΔs.
Si può inoltre definire un altro rendimento chiamato rendimento ideale di cella che
rappresenta il rapporto fra l'energia elettrica ideale che si potrebbe ottenere dalla cella e
tutta l'energia resa disponibile dall'idrogeno, al netto delle perdite entropiche:
ηideale = 2F*Videale / QH2*pciH2 = 1,16/1,18 = 0,98
dove il prodotto 2*F*Videale = - Δgf H2O, QH2 è la quantita di idrogeno che alimenta la cella
pciH2 è il potere calorifico inferiore dell'idrogeno.
Quando il circuito viene chiuso e la cella viene messa in funzione, la tensione cala da
1,16V con circuito aperto fino a 0,8V (il valore di tensione calcolato teoricamente è 1,18v
mentre quello disponibile nella pratica è 1,16V). Viene quindi definito un rendimento di
cella come il rapporto tra tensione realmente erogata in condizioni reali e la tensione a
circuito aperto:
ηcella = Vreale / Videale = 0,8/1,16 = 0,7
Il valore di 0,8V è la conseguenza di diversi fattori: innanzitutto all'anodo non arriva
idrogeno perfettamente puro e l'ossido di carbonio contenuto reagisce col platino
diminuendo la superficie attiva; al catodo poi arriva aria anziché ossigeno puro; ulteriori
perdite sono dovuto ai sistemi che umidificano l'idrogeno e l'aria per mantenere umida la
membrana. Durante il funzionamento nascono poi altri fenomeni di irreversibilità che
variano al variare dell'intensità di corrente prodotta. L'andamento dei parametri di
funzionamento risulta quindi come il grafico sotto riportato (curva di polarizzazione) che è
45
stato prodotto sperimentalmente.
La caduta di tensione nella curva di polarizzazione dipende da 4 fattori:
•
caduta di tensione per attivazione
•
caduta di tensione per corrente interna e diffusione dei gas nell'elettrolita
•
caduta ohmica
•
caduta di tensione dovuta alla variazione di concentrazione dei reagenti
La caduta di tensione per attivazione è causata da reazioni non desiderate che avvengono
agli elettrodi e che possono provocare variazioni chimiche sulla superficie degli stessi
come ad esempio fenomeni di assorbimento dei reagenti gassosi. Può quindi accadere
che sia necessaria una certa tensione per far si che gli ioni si stacchino dall'elettrodo dove
si sono formati; questo fenomeno provoca la caduta di tensione.
La caduta di tensione per corrente interna e diffusione dei gas nell'elettrolita è dovuta al
fatto che una piccola parte di H 2 ed elettroni attraversino la membrana e vadano a reagire
direttamente sul catodo senza che l'idrogeno abbia emesso i due elettroni. Questo è
equivalente ad una perdita di due elettroni nel circuito esterno e quindi anche una perdita
di tensione.
La caduta ohmica è dovuta alla resistenza che gli elettrodi oppongono al passaggio degli
elettroni e che la membrana oppone al passaggio degli ioni H+.
La caduta di tensione dovuta alla variazione di concentrazione dei reagenti si manifesta
soprattutto per elevati valori di corrente. In queste condizioni i reagenti ed i prodotti
diffondono negli elettrodi con una velocità insufficiente rispetto alla velocità di reazione e di
formano quindi dei gradienti di concentrazione che determinano una caduta di tensione.
Il rendimento totale di uno stack diventa quindi il prodotto tra diversi rendimenti:
ηstack = ηideale * μcomb * ηcella * ηbop
dove μcomb è il coefficiente di utilizzazione del combustibile ovvero il rapporto tra la quantità
utilizzata e quella fornita e η bop è il rendimento dei sistemi ausiliari cioè il rapporto tra la
quantità di energia utilizzabile (al netto dell'energia assorbita dagli ausiliari) e l'energia
prodotta. Il vantaggio delle fuel cells consiste nel poter trasformare l'energia chimica
direttamente in energia elettrica senza passare attraverso un ciclo termodinamico
intermedio. Se si confrontano l'efficienza di conversione dell'energia tra una fuel cell ed un
ciclo ideale di Carnot si osserva un andamento come quello riportato in diagramma:
46
Fig. 17: confronto dell'efficienza di conversione dell'energia tra una fuel cell e un ciclo ideale di Carnot
Nel caso di una cella PEM che opera a 80°C si può stimare un rendimento globale
dell'intero stack stimando i vari rendimenti e poi moltiplicandoli fra loro.
La tensione fornita dalla cella in condizioni di lavoro è 0,8V contro 1,16V di tensione a
circuito aperto. Il rendimento della cella ηcella è quindi:
ηcella = Vreale / Videale = 0,8/1,16 = 0,7
Bisogna poi stimare la frazione di combustibile utilizzato μcomb che solitamente è del 95%.
Questo valore è dovuto al fatto che una piccola parte di idrogeno viene persa per
trafilamenti e che non tutta reagisce all'anodo.
La stima più difficile da effettuare è quella dovuta alle perdite di energia causate dai
sistemi ausiliari. Questi sistemi sono necessari per far funzionare le celle e per regolare
però assorbono una parte di energia prodotta dalle celle stesse. I sottosistemi principali
che compongono il sistema ausiliario sono:
•
sistema di gestione dell'idrogeno (questo sistema comprende anche il reformer se
l'idrogeno è prodotto a bordo del veicolo)
•
sistema di gestione dell'aria e dell'acqua
•
sistema di condizionamento della potenza elettrica
•
sistema di recupero del calore sviluppato dalle celle
•
sistema di regolazione e controllo dell'aria al catodo ed eventuale compressione;
47
Questi sottosistemi possono variare a seconda delle esigenze delle celle; per esempio se
l'idrogeno che alimenta la cella è stivato nel serbatoio del veicolo non servirà un reformer
per produrlo mentre in caso si utilizzasse un altro combustibile il reformer sarebbe
necessario e bisognerebbe valutare l'energia che esso assorbe.
Mediamente un sistema ausiliario (bop) ha un rendimento che si aggira attorno all'80%.
Il rendimento globale di uno stack ηstack = ηideale * μcomb * ηcella * ηbop diventa quindi:
ηstack = 0,98 x 0,70 x 0,95 x 0,80 = 0,52
Nelle normali condizioni il rendimento di una cella PEM oscilla tra il 48% e il 55%. E'
interessante sottolineare come questi rendimenti, sebbene lontani dall'unità, sono più che
doppi rispetto ad un moderno motore a combustibile interna. In caso di utilizzo stazionario
delle celle per la produzione di energia, il rendimento può arrivare anche a valori prossimi
al 70% se si recupera il calore prodotto.
48
CAPITOLO 4
Applicazioni veicolari dell'idrogeno
1.I motori termici ad idrogeno
Il modo più semplice per utilizzare l'idrogeno in ambito veicolare è, senza alcun dubbio,
quello di utilizzarlo negli attuali motori a combustione interna con l'aggiunta di modifiche
opportune, un po' come già accade per la conversione a metano o a gpl per
un'automobile. Gli unici interventi sarebbero rimappare la centralina motore per adattare la
pressione di iniezione e altri parametri di accensione del gas e prevedere un sistema di
sensori che evitino l'autocombustione in fase di aspirazione.
Vanno, inoltre, eliminati gli accorgimenti che creano turbolenze in camera di combustione,
ricercate nei motori tradizionali ma non desiderata per quelli ad idrogeno. Così risulterebbe
possibile semplificare la progettazione dei pistoni e della testata motore, componenti molto
costosi.
Altri vantaggi rispetto ai normali motori sono:
•
il vasto range di infiammabilità. Oltre alle miscele stechiometriche (35:1) possono
essere infiammate miscele molto magre (180:1) che garantiscono minori emissioni
nocive, un risparmio di carburante, una combustione completa e ad una
temperatura minore in camera di combustione. Di conseguenza il rendimento
diventa più costante
•
un bassa energia di ignizione che permette una accensione rapida
•
una temperatura di autoaccensione molto elevata che permette di aumentare il
rapporto di compressione del motore, aumentando quindi il rendimento del ciclo
teorico e reale
•
una velocità di fiamma della combustione molto elevata come pure la conducibilità
termica. La trasformazione di avvicina in questo modo alla combustione isocora del
ciclo ideale
•
un'elevata diffusività che implica una maggiore miscelazione con l'aria comburente
49
2.La soluzione a fuel cells
I veicoli possono essere messi in movimento dall'elettricità che producono le fuel cells
installate a bordo. E' un'evoluzione della tecnologia a batterie dove, in presenza di trazione
ibrida, impiegando le fuel cells, è possibile aumentare l'autonomia dei veicoli. La potenza
viene gestita da un controllo elettronico interfacciato ad un motore elettrico che trasforma
la corrente in energia meccanica. Il guidatore dosa la velocità del veicolo interagendo col
sistema di controllo tramite il pedale dell'acceleratore, come nelle normali automobili.
Questa soluzione è molto adattabile, ad esempio si possono avere veicoli ad idrogeno
molto compatti e adatti all'uso cittadino e berline in grado di avere autonomia analoghe a
quelle attuali o ancora autobus o veicoli per il trasporto merci. Se esistesse una rete
distributiva per l'idrogeno sarebbe possibile già oggi viaggiare su veicoli silenziosi, messi
in movimento da un propulsore non inquinante e poco ingombrante. Questi veicoli, come
detto sopra, avranno un sistema ibrido fuel cells/batterie per gestire i transitori, ovvero le
frenate e le ripartenze. Le fuel cells, infatti, lavorano bene a carichi costanti ma soffrono i
transitori e quindi vengono interfacciate a delle batterie da un sistema automatico di
controllo. Lo schema di interfacciamento viene chiamato “powertrain”.
Esistono tre tipologie di architetture:
•
LOAD LEVELLER
Lo stack di fuel cells è la principale funzione di potenza per il motore elettrico, e la
carica delle batterie è usata quando è necessaria una potenza supplementare. Le
batterie vengono poi caricate dalle stesse fuel cells quando le condizioni di marcia
lo rendono possibile, o da sistemi di recupero energia durante la frenata. Le
batterie, quindi, sono qui interfacciate alle celle e anche al motore.
•
RANGE EXTENDER
La maggior parte della potenza richiesta dal motore è fornita da batterie. Le celle
hanno la funzione di prolungare l'autonomia della carica (funzionando come
generatori) e di permettere il funzionamento degli ausiliari di bordo. Le celle sono
interfacciate non al motore, ma solamente alle batterie. E' una soluzione ideale per i
trasporti pubblici cittadini, poiché vi è spazio a sufficienza per alloggiare numerose
batterie e le condizioni di utilizzo prevedono soprattutto transitori (frenate e
partenze). Lo stack di celle non viene, allora, dimensionato sulla potenza di picco,
che lo renderebbe grosso e costoso, ma sulla potenza che serve a mantenere
cariche le batterie. Il costo così diventa decisamente inferiore. Lavorando con
50
carichi costanti, le fuel cells avranno anche una vita più lunga. Questo è importante
per i veicoli pubblici e industriali il quale utilizzo di prospetta a lungo termine.
•
FULL POWER
E' la soluzione che interessa maggiormente i produttori di veicoli per uso privato. La
potenza viene fornita al motore dalle fuel cells, e le batterie servono per alimentare
gli ausiliari di bordo e per il recupero di energia in frenata. Questa tecnologia è
preferibile per spostamenti extraurbani in cui la velocità di marcia è pressoché
costante e i transitori teoricamente pochi. In queste condizioni, le batterie si
consumerebbero più in fretta e il loro numero è limitato per ridurre costi, pesi e
ingombri.
3.Confronto fuel cells e motori termici ad idrogeno
Nel caso delle fuel cells l'efficienza parte da un valore elevato (circa 80%) che poi scende
all'aumentare della temperatura. L'efficienza di un ciclo termico della combustione è poco
soddisfacente alle basse temperature e interessante solamente alle temperature molto
alte. Questo va a scontrarsi con i vincoli tecnologici che impediscono di raggiungere tali
temperature nei limiti di fattibilità e di costo del progetto. Gli organi in movimento, inoltre,
dissipano molta energia in attriti. Mentre le fuel cells hanno emissioni nulle i motori a
combustione ad idrogeno emettono composti azotati No x pericolosi per la salute. I motori
termici ad idrogeno hanno il vantaggio che possono essere applicabili in tempi più celeri
eliminando da subito emissioni di monossido di carbonio e di anidride carboinca, ma la
soluzione più interessante è senza dubbio quella delle fuel cells.
4.Veicoli a fuel cells ad idrogeno
I primi prototipi di veicoli alimentati ad idrogeno tramite le fuel cells sono stati realizzati dai
costruttori su modelli già esistenti della gamma. Solo da qualche anno a questa parte, la
tendenza è quella di realizzare veicoli di questo tipo progettandoli a tutto tondo e concepiti
solamente per ospitare sistemi di trazione ad idrogeno. Sono “concept car” innovative che
sfruttano a possibilità data dall'utilizzo delle fuel cells di poter dislocare ovunque i vari
componenti con conseguenti vantaggi, come: maggiore abitabilità, caratteristiche di guida
innovative. Un esempio è il progetto AUTONOMY, sviluppato dalla General Motors.
I motori sono stati posizionati all'interno delle ruote, ottenendo un risparmio di spazio
impensabile in una normale auto. Sono inferiori, così, anche le perdite meccaniche
51
essendo la trasmissione direttamente applicata alla ruota. Il pianale completo di tutti gli
organi motore ha l'aspetto di uno skateboard, sul quale si possono ricavare le più
disparate configurazioni della carrozzeria. L'interfaccia con l'utente è drive-by-wire, ossia vi
è la totale assenza di organi meccanici o idraulici e ogni cosa, dal volante ai freni, è
azionato da potenziometri ed impulsi elettrici che offrono minor peso, ingombro inferiore, e
tempo di risposta istantanei. In un veicolo così la componentistica di base comprende:
•
sistema a fuel cells (stack)
•
motore elettrico
•
sistema di controllo del motore e dell'impianto a celle
•
un numero di batterie che varia a seconda della potenza necessaria
•
uno o più serbatoi di idrogeno o di combustibile (in questo caso ci sarà un reformer
on-board per la generazione di idrogeno).
4.1.Motore elettrico
Per quanto riguarda i motori elettrici, è possibile distinguerne fondamentalmente due tipi: a
corrente continua (CC o DC) oppure a corrente alternata (CA o AC).
In entrambi i casi la velocità di rotazione è direttamente proporzionale alla tensione
applicata ai capi del motore. La coppia dipende dai valori di corrente. Essa è solitamente
maggiore rispetto ai motori a combustione interna, garantendo spunti da fermo. La
potenza generata va da poche centinaia di watt fino a qualche kW: per le vetture pensate
per percorsi extraurbani si hanno valore tra 15 e 90 kW, per gli autobus 100 – 250 kW.
•
MOTORI A CORRENTE CONTINUA
Un motore di questo tipo è portato in rotazione grazie alla commutazione continua
di un campo magnetico, grazie ad un collettore a lamelle che striscia sulle
“spazzole” del motore. Lavora fra 48 e 192 Volt. Per superare tale valore è
necessario un motore del tipo brushless, ossia senza spazzole.
Sono adatti specialmente per applicazioni indoor, come i carrelli elevatori che
hanno bisogno di poca manutenzione, semplicità, economia e ridotte necessità di
controllo. Questi motori possono essere eccitati in parallelo, oppure in serie. Nel
primo caso i circuiti del rotore e dello statore si comportano come due resistenze in
parallelo. La curva caratteristica coppia/numero di giri, è una retta che decresce
dallo spunto fino allo zero. Nel secondo caso, invece, assume un andamento
decrescente all'ammontare del numero di giri. Il sistema di controllo di un motore a
52
corrente continua è meno complicato e costoso rispetto a quello dei motori a
corrente alternata. Nonostante questo vantaggio non sono in grado di recuperare
energia in fase di frenata se non mediante l'installazione di un determinato
apparato.
Caratteristica importante è quella di poter essere sovrautilizzati, per spunti
particolarmente gravosi, fornendo picchi di potenza fino a tre volte quella nominale.
Ciò deve accadere solo per brevi lassi di tempo, altrimenti il motore si surriscalda e
si danneggia.
•
MOTORI A CORRENTE ALTERNATA
E' la tipologia più usata nei veicoli. Sono alimentati da tensioni trifase il cui valore è
compreso tra 48 e 240 V. Sono più controllabili di quelli a corrente continua e
permettono di recuperare energia dalle frenate semplicemente lavorando al
contrario e senza bisogno di apparati esterni. Hanno, però, un costo maggiore
rispetto ai motori a corrente continua.
4.2.Sistemi di controllo
Un sistema di controllo ha diverse funzioni:
•
adeguare la potenza fornita alle esigenze del guidatore
•
commutare la tensione di alimentazione garantendo il giusto funzionamento del
motore
•
controllare la corretta trasformazione dell'energia elettrica in meccanica
•
interfacciarsi con il sistema di guida del veicolo
•
gestire il recupero dell'energia meccanica disponibile in frenata
Un buon sistema di controllo per motori elettrici deve modulare la potenza fornita in uscita.
Ciò sarebbe possibile nei motori a corrente continua tramite un insieme di contatti in grado
di inserire/disinserire diverse sezioni di batteria. La regolazione sarebbe però a “gradini” e
la guida risulterebbe discontinua. Più efficiente è il controllo tramite un sistema detto
“chopper”. Il componente analogo per motori a corrente alternata è detto “inverter”, che
dovrà inoltre trasformare la corrente continua in uscita da batterie e fuel cells in corrente
alternata alla tensione adeguata.
La soluzione migliore dal punto di vista del rendimento è studiare commutatori ad hoc per
uno specifico motore a fuel cells. Esso può infatti assorbire fino al 10% della potenza
erogata dallo stack.
53
4.3.Batterie
Esse hanno una gran importanza sia nei veicoli completamente elettrici sia nei motori ad
idrogeno. Le batterie possono essere di vario tipo e sono classificate in base ai materiali
da cui sono costituite.
Le più diffuse oggigiorno sono:
•
Quelle al piombo gel, economiche rispetto alle altre ma obsolete in quanto a
prestazioni. Per questo stanno per essere quasi definitivamente abbandonate.
I limiti sono:
◦ una capacità limitata
◦ un peso elevato
◦ un ingombro importante
◦ una lenta ricarica
◦ una bassa durata
◦ un costo comunque altro anche se inferiore ad altre tipologie
Ad esempio, per un'autonomia di 60-80 Km nel ciclo urbano di una city-car con un
motore elettrico da 15 kW, sono necessari una ventina di moduli, per un peso di
500 Kg e ingombro di 90 litri. Ogni modulo costa circa 60€ ed offre 0,84 kW, quindi
il costo della potenza installata è 70€/kW. I tempi di ricarica vanno dalle 4 alle 10
ore. La carica di queste batterie va portata sotto al 20% prima di effettuare una
ricarica, altrimenti si ha una decadenza della vita, che al massimo è di 2-3 anni o
400 cicli di carica/scarica completi.
•
La batteria al NiMH (nichel idruri di metallo) forniscono una maggiore energia, una
durata che può arrivare a 6 anni (1500-2000 cicli di carica/scarica) e hanno un
ingombro del 30% inferiore delle batterie piombo gel, pur avendo un costo simile.
•
Le batterie agli ioni di Litio sono le più promettenti oggigiorno e sono interessanti
in campo automobilistico ma anche per le tecnologie portatili (cellulari, notebook,
lettori mp3, ecc...). Offrono un'elevata energia specifica, possono sopportare un alto
numero di cicli carica-scarica anche parziali, e non soffrono dell'effetto memoria.
La casa automobilistica Tesla ha utilizzato un pack di 6831 batterie agli ioni di litio
già presenti sul mercato per la sua auto completamente elettrica, la Tesla Roadster.
Ogni batteria è un cilindro di 18 mm di diametro e 65 di altezza per un totale di 112
litri di volume e 450 Kg. L'autonomia dichiarata è di 400 Km, comunque questa
tecnologia pare avere margini ancora maggiori di sviluppo.
54
Esse sono state usate anche dalla Ferrari nella monoposto Formula 1 del 2009,
denominata F6, per recuperare energia in fase di frenata.
•
Le batterie Zebra, note anche come “batterie al nichel – cloruro di sodio”, sono
prodotte dalla ditta svizzera MES-Dea, particolarmente adatte alle applicazioni
automobilistiche, poiché caratterizzate da elevate prestazioni ed ingombri contenuti.
Sono state testate su una Renault Twingo provvista di una batteria da 18 kWh dal
peso di 180 Kg che consente di avere un'autonomia di 120-140 Km con velocità
massima di 120 Km/h. Al contrario delle batterie agli ioni di litio, però, lavorano ad
alte temperature (250°C). Questo fattore aggiunto alla scarsa commercializzazione
ne rende difficile lo sviluppo.
5.Confronto economico tra propulsione elettrica e a benzina
Il costo dell'elettricità in Italia è variabile tra 0,10 – 0,18 €/kWh. Per caricare un pacco di
batterie che garantisca ad un propulsore di 15 kW un'autonomia di 70 – 90 km, il costo è
di circa 1€. La spesa per chilometro calcolata su questi dati è di 0,01€. Prendiamo in
considerazione una piccola utilitaria a benzina. Essa potrebbe fare, ad esempio, 15 km
con un litro di carburante, che in media costa 1,35 €/l. Si ha, cioè, un costo a km di 0,09€
senza considerare i materiali di consumo (olio, revisione delle componenti in movimento
soggette ad usura) e che il prezzo della benzina sarà sicuramente soggetto ad ulteriori
crescite. Nel caso del motore elettrico, però, bisogna calcolare anche il costo delle batterie
(nel caso trattato circa 2000€) e che il pacco batterie garantisce una durata di circa 40000
km. Si ottiene una spesa su unità chilometrica di 0,06€, che rimane interessante. Il vero
ostacolo per la diffusione di veicoli elettrici sono i tempi di rifornimento che vanno dalle 5
alle 10 ore contro un tempo dell'ordine del minuto per rifornirsi di benzina. L'autonomia,
inoltre, difficilmente raggiunge i 300-400 km. Sotto quest'ottica le fuel cells diventano
interessanti poiché garantiscono: minori ingombri, pesi, rifornimenti, durata, autonomia.
Tutto ciò ad emissioni zero e sfruttando l'elevata efficienza dei motori elettrici.
55
6.Confronto di efficienza fra veicoli a fuel cells e a combustione interna:
approccio “well-to-whells”
L'approccio “well-to-whells” permette di effettuare un confronto energetico fra veicoli ad
idrogeno e quelli dotati di motori a combustione interna. Esso consiste nel prendere in
considerazione tutto quello che succede, in termini di efficienza, dall'estrazione della
materia prima da cui derivano i diversi combustibili fino alla conversione in trazione
dell'energia. Questo approccio, per semplicità, viene suddiviso in due sottosistemi,
chiamati “well-to-tank” e “tank-to-wheels”. Nella prima categoria, detta anche “upstream”,
viene eseguita l'analisi sull'efficienza energetica dalla produzione dei carburanti fino allo
stoccaggio. Nella seconda, chiamata “vehicle”, si esamina quello che succede a bordo del
veicolo con attenzione particolare alle modalità di utilizzo dei combustibili per ogni sistema
di trazione disponibile sul mercato.
Essendo equivalente a due sistemi in serie il rendimento globale è dato da:
η(totale) = η(dal pozzo al serbatoio) * η(dal serbatoio alle ruote)
I rendimenti sono uguali al rapporto fra energia utile in uscita ed energia in ingresso. Lo
stesso ragionamento vale considerando le potenze ragionando per unità di tempo.
6.1.Upstream
I processi che costituiscono l' ”upstream” sono:
•
estrazione e/o produzione della sorgente di energia primaria dalla quale si ottiene il
combustibile
•
trasporto
e
stoccaggio
del
combustibile
primario
fino
al
luogo
di
raffinazione/lavorazione
•
produzione del combustibile adatto alla trazione
•
trasporto, stoccaggio e distribuzione del combustibile di trazione
Il primo step dell'analisi consiste nel calcolo delle perdite avute durante la produzione dei
combustibili. Per ogni singolo combustibile viene determinato il valore percentuale del
potere calorifico dissipato per portarli, a partire dall'estrazione, fino al serbatoio dell'auto.
Il valore presente nella tabella seguente riguardante l'estrazione della benzina o del
gasolio, è riferito ad esempio alla percentuale di energia netta che rimane disponibile dopo
le operazioni di estrazione del petrolio.
56
Ecco la tabella relativa in cui sono indicati i processi di upstream per le varie fonti
energetiche e i rispettivi rendimenti di massima.
CARBURANTI
CLASSICI
Estrazione
materia
prima
Trasporto
Produzione
Combustibile
Distribuzione
Totale
[%]
Benzina
96,9
98,9
92
99,2
87,5
Gasolio
96,9
98,9
95
99,2
90,3
Estrazione
materia
prima
Trasporto
Compressione
Totale
[%]
98
95,1
95,4
88,9
GAS NATURALE
Gas Naturale
METANOLO DA Tecnologia di
GAS NATURALE produzione
Produzione
Trasporto
Totale
[%]
Metanolo
Steam
reforming
62,4
99
61,8
Metanolo
SR con
iniezioni di
CO2
64,2
99
63,5
Metanolo
Autotermico
67,1
99
66,4
IDROGENO
GASSOSO
Estrazione
materia
prima
Trasporto
Produzione
combustibile
Compressione
Totale
[%]
Idrogeno da SR del
metano
(centralizzato)
98
95,5
81
83
63,4
Idrogeno da SR del
metano
(decentralizzato)
98
95,1
72
95
63,7
IDROGENO
LIQUIDO
Estrazione
materia
prima
Trasporto
Liquefazione
Rifornimento
Totale
[%]
H2 da Steam
Reforming
centralizzato
98
95,1
45
95
39,8
Tabella 3: efficienze dell'upstream per diverse fonti energetiche
Per quanto concerne l'idrogeno, la produzione alla stato gassoso è molto più conveniente
dal punto di vista del rendimento rispetto a quello liquido.
Ad incidere negativamente sono i processi necessari per portarlo ad alta pressione e a
57
temperatura prossima allo zero assoluto. Tuttavia, si può ottenere una grande energia
specifica. E' stato considerato solo lo steam reforming in quanto processo più diffuso. La
produzione centralizzata è più efficiente in quanto permette un'efficienza del processo
maggiore. Il vantaggio della produzione localizzata consiste nelle minori spese di trasporto
e di compressione poiché l'idrogeno prodotto è più vicino all'utenza e risulta avere una
maggiore pressione a fine ciclo. Le efficienze complessive sono quindi molto simili, ma la
soluzione localizzata offre migliore prospettive future. Risulterebbe, infatti, più semplice
sviluppare una rete di distribuzione con questo metodo.
6.2.Veihcle
La parte “veihcle” considera i rendimenti dei processi che avvengono nel veicolo, ossia
come viene trasformata l'energia del combustibile in potenza effettiva erogata dal motore.
Vengono considerati i processi di trasformazione del combustibile, ed i rendimenti di
motore e trasmissione nei diversi casi.
MOTORI TERMICI
Motore
Trasmissione
TOT
[%]
Benzina
18,5
92
17
Gasolio
23,5
92
21,6
Metano
19,1
92
17,6
MOTORI ELETTRICI Trattamento Fuel Motore Trasmiss
FUEL CELL
combustibile cells elettrico
ione
TOT
[%]
H2 da reformer onboard a benzina
75
41
82
95
24
H2 da reformer onboard a metanolo
80
43
82
95
26,8
H2 direttamente
rifornito
/
48
82
95
37
Tabella 4: efficienze della parte vehicle per le diverse forme di alimentazione
Il rendimenti dei motori a combustione interna è scarso a causa delle tante trasformazioni
di energia che avvengono, delle grandi dispersioni termiche, degli attriti. Il motore elettrico
è invece dotato di un elevato rendimento, penalizzato da quello delle fuel cells. Ma nel
complesso esso è comunque elevato rispetto a quello tradizionale.
58
6.3.Efficienza globale “well-to-whells”
Determinati i rendimenti di “upstream” e “vehicle” per varie forme di alimentazione e
propulsione, si può calcolare il rendimento totale teorico. Il rendimento detto “well-towheels”.
UPSTREAM
VEHICLE
TOTALE [%]
AUTO CON MOTORI A COMBUSTIBILI FOSSILI
Benzina
87,5
17
14,9
Gasolio
90,3
21,6
19,5
Metano
88,9
17,6
15,6
AUTO AD IDROGENO E FUEL CELLS
H2 compreso
(da gas naturale)
63,7
37
23,5
H2 da reformer onboard (da benzina)
87,5
24
21
H2 liquido
(da gas naturale)
62,7
26,8
16,8
Elettricità ottenuta
da petrolio e
immagazzinata in
batterie
25,3
77,9
19,7
Tabella 5: efficienza complessiva well-to-whells per diversi casi
Dalla tabella si può vedere come il valore più alto del rendimento complessivo venga fatto
registrare dall'auto elettrica alimentata tramite idrogeno compresso (derivato da gas
naturale) grazie alle fuel cells.
I vantaggi non sono limitati al rendimento superiore ma riguardano anche la risposta più
costante lungo tutto l'arco di giri del motore elettrico. In un motore termico, invece, le
condizioni ideali si realizzano solo in una range limitato di giri.
Nel caso della produzione di idrogeno mediante elettrolisi, sfruttando la corrente pulita
prodotta da centrali idroelettriche o eoliche, non si ha nessuna estrazione di materie prime,
e l'idrogeno potrebbe essere prodotto sfruttando la corrente in eccesso delle centrali
durante le ore notturne. Con l'eventuale diffusione di centrali di taglia medio-piccola su
tutto il territorio, inoltre, i costi e le inefficienze legate al trasporto calerebbero
notevolmente. Il rendimento sarebbe più basso ma è comunque una soluzione da valutare
attentamente anche se con tempi di realizzazione più lunghi, poiché il gas naturale è già
presente sulla rete di distribuzione.
59
7.Vetture prodotte dalle case automobilistiche
L'applicazione dell'idrogeno, come già anticipato, sta assumendo un crescente interesse
ne settore dei trasporti. Sono numerose le case automobilistiche che hanno, negli ultimi
anni, sviluppato prototipi o che addirittura hanno già la disponibilità commerciale di alcuni
modelli di auto alimentati ad idrogeno. In Canada, a Vancouver, sono regolarmente in
circolazione autobus di linea ad idrogeno. Lo stesso vale per numerosi taxi in Inghilterra.
In Italia, nelle città di Torino e di Milano è stato inaugurato nel novembre 2004 un progetto
per l'esercizio sperimentale di autobus a idrogeno ad emissioni zero.
Tra le varie macchine ad idrogeno bisogna tenere in considerazione quelle che usano
l'idrogeno nei motori a combustione interna, che possono funzionare sia con i combustibili
fossili sia con l'idrogeno. Quest'ultima soluzione, decisamente meno inquinante rispetto ai
motori a combustione interna alimentati da combustibili fossili, potrebbe essere il primo
passo verso l'adozione delle auto a fuel cells.
7.1.Idrogeno: propellente in motori a combustione interna
Considerando i veicoli che utilizzano l'idrogeno per alimentare il motore a combustione
interna i risultati di maggior successo sono stati quelli raggiunti dalla casa BMW che,
recentemente, ha realizzato un motore V-12 che può essere alimentato sia a benzina sia a
idrogeno e la vettura Hydrogen 7: una berlina di lusso equipaggiata con un motore 12
cilindri con disposizione a V e cilindrata di 6000 cm3, che sviluppa 191 kW/260 CV con una
coppia massima di 390 Nm a 4300 rpm. Questi valori permettono una accelerazione da 0
a 100 km/h in 9,5s e una velocità massima limitata elettronicamente a 230 km/h.
60
Per poter usufruire della maggiore autonomia possibile, l'auto è dotata di un serbatoio per
il combustibile fossile da 74 litri, mentre per immagazzinare l'idrogeno c'è una bombola
mantenuta alla temperatura -253°C, alla quale l'idrogeno presenta la maggiore densità
possibile, per un totale di 8 kg di idrogeno.
L'autonomia della vettura sarà di circa 200 km se alimentata ad idrogeno, di 500 km se
alimentata a benzina.
Anche Mazda ha condotto degli studi
in questa direzione sviluppando il
modello
RX8,
la
quale
vanta
un'autonomia ad idrogeno attorno ai
200 km, avvicinandosi dunque al
valore della Hydrogen 7.
La differenza tra le due autovetture è
lo stoccaggio dell'idrogeno: per la
Mazda esso viene stoccato in fase gassosa con bombole da 350 bar allocate nel
bagagliaio. La BMW, invece, utilizza idrogeno liquido con tecnologie criogeniche.
Anche la Ford ha realizzato una serie di prototipi bi-alimentati come la Focus C-Max H2ICE alimentata ad idrogeno che monta un motore 4 cilindri in linea da 2300 cm 3 e con
cilindrata capace di 110 CV. L'assemblaggio del motore è diverso rispetto alla versione a
benzina: la batteria è spostata dal vano motore alla parte sottostante il sedile posteriore.
Inoltre, ci sono sistemi di sicurezza e sensori che permettono l'adattamento alla tecnologia
differente del serbatoio combustibile.
Il veicolo di prova impiega idrogeno gassoso compresso in tre serbatoi a pressione di 350
61
bar. Due dei serbatoi sono stivati nel bagagliaio, il terzo nel sottoscocca.
In corrispondenza del condotto motore due regolatori di pressione riducono la pressione
del gas di 5,5 bar. Complessivamente i tre serbatoi hanno una capacità di 119 litri che
equivalgono a 2,75 kg di idrogeno e garantiscono un'autonomia di 200 km.
Un compressore permette di ottenere prestazioni simili alla versione dotata di motore a
benzina: comprimendo l'aria di aspirazione, il compressore aumenta la massa della
miscela del carburante nella camera di combustione. Durante la compressione l'aria viene
riscaldata e poi raffreddata nei due intercooler, uno davanti al paraurti anteriore, l'altro nel
mezzo del vano motore. L'aria compressa raffreddata viene inviata poi nel motore dove si
combina con l'idrogeno nei cilindri. Il rapporto idrogeno/aria può essere regolato su
un'ampia gamma poiché l'infiammabilità dell'idrogeno nell'aria varia dal 4 al 70% in
volume. Questo consente di utilizzare miscele idrogeno/aria molto povere o molto ricche,
per ottenere un controllo ottimale del consumo e delle emissioni di NOx.
L'utilizzo dell'idrogeno nel normali motori a combustione interna non è ad impatto zero,
però comporta la non emissione di anidride carbonica e l'emissione di una piccola quantità
soltanto di NOx. Il rendimento è comunque basso rispetto all'uso di una cella a
combustibile ed è, dunque, questo il vero svantaggio.
Il vantaggio che si può trovare nell'utilizzo di un tradizionale motore a combustione interna
è che la tecnologia usata è già pienamente consolidata. Tuttavia, è necessario apportare
varie modifiche ad un motore di questo tipo per essere alimentato ad idrogeno.
7.2.Idrogeno: alimentazione delle celle a combustibile
Le cause automobilistiche hanno progettato e realizzato prototipi anche di veicoli a fuel
cells nonostante la maggiore complessità d'impianto e il costo superiore.
Honda FCX Clarity
Il progetto è di una decina di anni fa, quando Honda
propose due prototipi di auto a celle a combustibile,
la FCX – V1 (a idrogeno) e la FCX – V2 (con
reformer di metanolo).
La prima FCX risale al 2002, nel 2005 è stata
lanciata la seconda versione e nel 2008 è stato
celebrato l'avvio della produzione in serie della FCX
Clarity.
62
Le fuel cells usate di tipo V Flow Stack, grazie alla tecnologia sviluppata dalla casa stessa
sono già ad un buon livello di sofisticazione. La batteria usata è agli ioni di litio ed è
compatta ed efficiente, posta sotto il sedile posteriore. E' più leggera del 40% e più piccola
del 50% rispetto a quella usata nella seconda generazione ed eroga una potenza di 288 V.
Essa è utilizzata per recuperare l'energia prodotta durante i processi di frenata e
decelerazione: con la cosiddetta frenata rigenerativa è possibile recuperare fino al 57% di
energia dissipata dalla frenata. La batteria funziona poi parallelamente allo stack di celle
per alimentare il veicolo nelle fasi di ripresa.
La FCX è alimentata da un motore elettrico sincrono a magneti permanenti con coppia di
256 Nm e potenza di 100 kW/134 CV che permette di raggiungere la velocità massima di
160 km/h. Il motore viene alimentato dalle fuel cells, la cui unità è disposta nel tunnel
centrale tra i sedili anteriori.
Nelle prime due generazioni l'idrogeno e l'aria fluivano all'interno delle fuel cells in senso
orizzontale, ora invece il flusso è verticale in modo da sfruttare la forza di gravità per
asciugare più efficacemente l'acqua che rimane dopo il processo chimico. In questo modo
si ottiene una produzione di energia più costante e la possibilità di adottare dei condotti di
flusso più sottili del 17%.
Il serbatoio per l'idrogeno ha una capacità di 171 litri (4,1 kg) a 350 bar, ovvero la
pressione che offre il miglior bilancio energetico per ottenere un'autonomia di 460 km. La
versione del 2008 presenta un solo serbatoio a differenza della versione precedente che
ne aveva due. Il veicolo dispone di 4 posti e ha un peso di 1625 kg.
Per evitare problemi alla pompa del distributore, l'auto è dotata di una valvola di controllo
integrata. Il rifornimento può essere eseguito dal cliente oppure dall'assistenza. Honda ha
annunciato che saranno prodotte 200 unità della FCX Clarity in tre anni.
63
Mercedes Classe B F-CELL
Appartiene alla seconda generazione di auto a idrogeno
della Casa di Stoccarda. La Mercedes Classe B F-CELL
andrà a sostituire la precedente Classe A F-CELL che era
stata presentata nel 2004 ed impiegata poi da oltre 100
collaudatori in Giappone, Singapore, Stati Uniti ed Europa.
Mercedes continua ad impiegare le sue monovolume nella
ricerca sulle celle a combustibile perché il pianale rialzato di
Classe A e Classe B sono perfetti per l'alloggiamento dei
componenti che non hanno ancora raggiunto un livello di
miniaturizzazione tale da essere adottati su pianali di
dimensioni più piccole. Tutto è disposto nel vano motore e
sotto il pavimento, in modo da non sacrificare troppo lo
spazio a bordo o la capacità di carico. Le prestazioni della Classe B sono molto
interessanti: il motore elettrico ha una potenza di 100 kW (136 CV) e una coppia di 290
Nm contro gli 87 CV e 210 Nm della A F-CELL; con la nuova tecnologia dello stack di fuel
cells da 80 kW, l'auto ha un'autonomia di 400 km e una velocità massima di 170 km/h.
L'idrogeno è immagazzinato in serbatoi in materiale composito allo stato gassoso e alla
pressione di 700 bar (nella A F-CELL era di 350 bar). Vengono stivati in tutto 4 kg di
idrogeno Il tempo necessario al rifornimento di idrogeno è stato ridotto a soli 3 minuti che è
simile al rifornimento delle automobili a motore tradizionale. I miglioramenti rispetto alla
generazione precedente sono dovuti anche al sistema di recupero di energia in frenata e
alle nuove batterie al litio con potenza di 1,4 kWh.
Fiat Panda Hydrogen
E' una vettura a fuel cells sviluppata dal Centro Ricerche Fiat, azionata da un motore
elettrico erogante 60 kW di potenza massima e disposto anteriormente, alimentato da uno
stack di celle a combustibile chiamato “Nuvera” collegate in serie e allocate sotto il
pianale. L'idrogeno stivato on-board si trova alla pressione di 350 bar in un serbatoio in
materiale composito sotto il pianale della vettura. Il pieno, di 68 litri, si può fare in meno di
5 minuti, con una autonomia garantita di 200 km. Gli spazi interni sono praticamente gli
stessi della versione normale. La velocità massima raggiungibile è di 130 km/h con
un'accelerazione da 0 a 50 km/h in 7 secondi. Nel 2007 è stata iniziata una fase
dimostrativa che dovrebbe poi sfociare in piani più ampi, in accordo con enti pubblici.
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General Motors Hydrogen 4 – Chevrolet Equinox Fuel Cells
La GM Hydrogen 4 appartiene alla quarta generazione di veicoli ad idrogeno della General
Motors. La Hydrogen 4 è un'auto a celle a combustibile basata su una piattaforma di serie,
quella della Chevrolet Equinox. E' stata avviata una produzione in serie di oltre 100
esemplari, includendo entrambe le denominazioni. Essa, rispetto al modello di
derivazione, presenta un pianale rialzato per accogliere il sistema di produzione ad
idrogeno. Le dimensioni sono elevate per un'auto a 4 posti soltanto: la lunghezza è di 4,80
metri, la larghezza di 1,81 e l'altezza di 1,76. La velocità massima è 160 km/h. Le celle a
combustibile erogano una potenza di 93 kW. Il motore elettrico è anteriore, come la
trazione, ed eroga 73 kW/100 CV continuativi e una coppia massima di 320 Nm. E' dotata
di 3 serbatoi di idrogeno allo stato gassoso ad altissima pressione (700 bar), realizzati in
materiale composito e contenenti 4,2 kg (cioè 67 litri) di gas per un'autonomia di 320 km.
Una batteria al NiMH da 1,8 kWh supporta le fuel cells in fase di accelerazione e accumula
l'energia recuperata dal motore elettrico in fase di decelerazione.
Durante lo sviluppo della precedente generazione, la HydroGen3, i tecnici si erano accorti
che stoccare idrogeno liquido a -253°C era fisicamente impossibile. Nonostante un
isolamento ottimale esisteva comunque uno scambio termico con l'esterno e nel giro di
pochi giorni l'idrogeno passava allo stato gassoso, fuoriusciva dal serbatoio e il veicolo si
ritrovava ad avere meno carburante a disposizione. Da qui derivano i tre serbatoi ad alta
pressione usati sulla HydroGen4. I serbatoi sono realizzati in fibra di carbonio.
65
General Motors Sequel
La Sequel è un prototipo di auto americana alimentata ad idrogeno dotata di tre motori
elettrici. La potenza necessaria per mettere in movimento la vettura è fornita da un motore
elettrico
trifase
a
corrente
alternata
montato
trasversalmente sull'assale anteriore e da due motori
elettrici trifase a corrente alternata montati all'interno
del mozzo delle ruote posteriori.
E' un auto trasformabile poiché è caratterizzata da un
telaio modulare intercambiabile. Viene prodotta dal
costruttore General Motors, utilizzando la più recente
tecnologia sviluppata dalla Opel. La Sequel utilizza un sistema di “guida per filo” (drive-bywire), che permette la connessione e la sconnessione di varie plance di comandi. Ha
un'autonomia di 500 km ed è stata presentata al North American International Auto Show
del 2005, e all'esposizione di auto a Ginevra. Questo veicolo può accelerare da 0 a 100
km/h in meno di 10 secondi. Fornisce, inoltre, un ottimo controllo della trazione su fondo
accidentato, nevoso o ghiacciato. Le batterie hanno la funzione di fornire il surplus di
energia elettrica necessario ai tre motori elettrici durante l'accelerazione e hanno anche la
funzione di recuperare l'energia in frenata o in decelerazione. Esse sono batterie aglio ioni
di litio. La particolarità di quest'auto è la struttura innovativa in cui c'è la presenza di uno
“skateboard” facilmente divisibile dalla carrozzeria che contiene lo stack di fuel cells, i
sistemi di alimentazione dell'idrogeno e dell'aria, i sistemi di distribuzione della corrente
elettrica e i serbatoi dell'idrogeno compresso.
66
Ford Focus FCV Hybrid
Ha una configurazione full power, cioè nella maggior parte delle modalità di guida il nuovo
stack di fuel cell Ballard Mk 902 da 92 CV (68 kW) assicura l'unica fonte di energia
elettrica per la propulsione della Ford Focus FCV. Un pacco batterie integra la potenza. Lo
stack di celle a combustibile pesa solo 96 kg e funziona con idrogeno gassoso. La batteria
216 volt non serve solo per l'avviamento dell'intero sistema, ma assicura anche una spinta
aggiuntiva durante l'accelerazione. Ogni volta che il guidatore richiede una rapida
accelerazione, il sistema di gestione dell'energia di Ford Focus FCV entra in modalità
“boost”, inserendo la batteria in parallelo con le fuel cells per fornire altri 18 kW (25 CV).
Lo stack è allocato sotto i sedili, mentre il motore elettrico e la tecnologia di controllo,
compreso il sistema di recupero di energia in frenata, sono sistemati nel vano motore.
Suzuki SX4-FCV
La Suzuki SX4-FCV è caratterizzata da eccellenti performance grazie all'unione tra una
cella a combustibile di origine GM e alte prestazioni, un serbatoio di idrogeno da 700 bar
sviluppato dalla stessa Suzuki e un efficace sistema di recupero dell'energia a
condensatore, leggero e compatto, che immagazzina energia in frenata e la usa per
ridurre il carico sulla cella durante la fase successiva di accelerazione.
Hyundai Tucson IX FCEV
Hyundai ha completato lo sviluppo della sua Tucson ix FCEV, la variante a idrogeno della
sua ix35, che si trova naturalmente ancora in fase sperimentale. La casa coreana ha
annunciato che partiranno anche i collaudi stradali del modello, in vista della messa in
produzione, programmata per il 2015, a seguito di una commercializzazione pilota prevista
per il 2012. Il nuovo SUV a fuel cells, rappresenta la terza generazione di veicoli di questo
tipo per Hyundai.
Grazie ai due serbatoi di idrogeno a 700 bar di pressione, la Tucson ix FCEV può vantare
un’autonomia dichiarata pari a 650 km. Secondo la casa inoltre, il modello è in grado di
avviarsi senza problemi anche con temperature esterne di -25°C. Il valore dell’autonomia,
uno dei migliori tra gli odierni prototipi a fuel cells, assume un significato più comprensibile
se raffrontato a quello delle Hyundai a idrogeno di precedente generazione, che non
andavano oltre i 370 km.
Il 95% della componentistica di questo evoluto prototipo è stata prodotta in Corea e il
volume degli organi che compongono il sistema di celle a combustibile è stato ridotto del
67
20%. I consumi, pari all’equivalente di 31 km con un litro di benzina, sono stati ridotti del
15% rispetto alla precedente generazione. La velocità massima della Tucson ix FCEV è di
160 km/h.
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CAPITOLO 5
Conclusioni
La crisi energetica è di grande attualità e tra non molti anni è certo che il petrolio sarà
esaurito. A questo si arriverà passando, inevitabilmente, per un aumento esponenziale del
suo costo, causato dalla domanda continuamente in crescita e dalle quantità estraibili in
calo progressivo. Le economie dei paesi industrializzati sono basate sul petrolio ed è
purtroppo probabile che, in futuro, si genereranno scenari politici poco felici per controllare
i giacimenti di petrolio. Nei capitoli precedenti abbiamo potuto vedere come l'idrogeno, tra
le varie fonti alternative, sia una soluzione del tutto efficiente. Se alcune tecnologie per la
produzione e l'utilizzo di idrogeno sono ancora in fase sperimentale, altre invece sono già
reali. La domanda che sorge spontanea è perchè stiamo ancora consumando petrolio
immettendo anidride carbonica nell'aria, pur essendo pienamente consapevoli dei danni
climatici e fisici che sta causando. Esistono ormai numerosi programmi di finanziamento e
di sperimentazione, eppure niente ancora lascia intravedere un cambiamento concreto.
La causa di questo avvio difficile è spiegabile con diversi fattori:
•
il potere dei petroliferi: gli Stati occidentali devono loro malgrado subire le pressioni
dei paesi produttori di carburanti. Passando all'utilizzo alternativo di fonti rinnovabili
le floride economie arabe, basate quasi esclusivamente sul petrolio, andrebbero in
rovina. Ovviamente essi faranno di tutto per impedire che questo avvenga, in primis
giocando proprio sulla nostra dipendenza dal petrolio. Basti pensare a quando un
piccolo taglio alla produzione greggio ha fatto schizzare i prezzi alle stelle creando il
panico nell'economia mondiale.
•
Fattore dei costi: per il lancio di un nuovo mercato com'è quello dell'idrogeno
servono investimenti iniziali decisamente considerevoli, poiché andrebbero
realizzati impianti di produzione di idrogeno su larga scala e le case
automobilistiche dovrebbero ridefinire l'intera linea di veicoli. Inoltre, in un periodo di
crisi economia come quello che stiamo vivendo non è certo facile per una casa
automobilistica fare una sorta di “scommessa” come quella dell'idrogeno. I
costruttori continuano a costruire auto con tecnologie che sono sempre le stesse da
decenni. Questo rende possibile avere prezzi di vendita molto bassi, un fattore
determinante per le vendite. Anche se fossero messi in vendita modelli ad idrogeno
essi non potrebbero competere con quelli a benzina per quanto riguarda il prezzo
69
d'acquisto, poiché andrebbero ammortizzate le spese sostenuta per la ricerca e lo
sviluppo. Alcune auto ibride sono già presenti sul mercato. Un esempio è la Toyota
Prius. Essa vanta consumi veramente molto bassi ma il prezzo di acquisto è
superiore a quello delle auto di fascia analoga e per questo fatica ad affermarsi sul
mercato.
•
Scelta dell'acquirente: una tecnologia ha senso solo se ci sarà poi un acquirente
che la acquisterà. I progetti relativi all'utilizzo dell'idrogeno sono parecchi ma la
gente non ne è informata. Forse se conoscessero i bassi consumi che si potrebbero
raggiungere inizierebbero ad interessarsi di più a questa valida alternativa. E'
necessario che aumenti la sensibilizzazione verso fonti di energia che consentano
oltre ad un minore consumo anche un minore inquinamento ambientale. Resta il
fatto che i governi dovrebbero prendersi carico dello sviluppo di questa tecnologia.
Per lanciare queste auto sul mercato dovranno essere superiori in ogni
caratteristica ai motori termici tradizionali: consumi, costo, prestazioni. In particolare
è necessario puntare ad un miglioramento dell'autonomia che non è ancora
eccellente.
•
Negli ultimi tempi sta diventando difficile la concorrenza dei mezzi “full-electric”,
ossia alimentati da energia elettrica stivata in batterie. Case automobilistiche come
Mercedes e BMW stanno puntando in questa direzione lasciando in sospeso le
ricerche sull'idrogeno. Un veicolo elettrico, però, soffre tempi di ricarica lunghissimi
e grandi limiti in termini di peso e ingombro per quanto riguarda le batterie. E' vero,
d'altro canto, che se questa soluzione è immediatamente utilizzabile dai clienti
caricandoli alla presa elettrica di casa, quelli ad idrogeno dovrebbero aspettare la
diffusione di stazioni di ricarica o lo sviluppo delle tecnologie per il reformer onboard.
•
Produzione di idrogeno: un'auto elettrica è in grado di utilizzare direttamente
l'energia prodotta ad esempio da pannelli fotovoltaici, mentre se questa fosse usata
per la produzione di idrogeno si avrebbe un calo di rendimento a causa della
produzione stessa, della compressione e dell'utilizzo successivo da parte delle fuel
cells. In veicoli sperimentali non è un problema usare energia ricavata da fonti
rinnovabili, ma se si parla di milioni di veicoli diventerebbe un problema ottenere
una così grande quantità di energia, e sarebbe uno spreco perderne metà in
processi di conversione.
70
Alcune case automobilistiche e aziende sensibili a queste tematiche continuano a lavorare
a nuove tecnologie per renderle sempre più efficienti ed affidabili. Esse non vanno lasciate
sole bensì aiutate poiché si tratta di progetti onerosi da lanciare.
La speranza e anche l'aspettativa di molti è quella di ottenere, grazie alla ricerca e alla
sperimentazione, prodotti sempre più allettanti dal punto di vista della semplicità
costruttiva, del costo, dell'autonomia, dell'efficienza, dell'affidabilità, e della flessibilità
operativa: sono questi i fattori importanti per il mercato, più delle tematiche ambientali.
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RINGRAZIAMENTI
Ho deciso di considerare questa tesi triennale anche come un'occasione per dire GRAZIE
a tutte le persone che mi sono state vicine e che mi hanno sostenuto, non solamente
durante la stesura del mio elaborato ma in ogni singolo passo della mia vita, che non
sempre è stata facile.
Ringrazio i miei genitori per l'amore e l'appoggio che ogni giorno sono capaci di darmi,
anche quando il nervosismo tende a prendere il sopravvento, anche quando la vita stessa
a volte sembra prendere le redini del gioco. Li ringrazio per avermi aiutato, a volte pure
litigando, a non mollare quando sono stato vicino a farlo. Probabilmente il mio ultimo
esame ora sarebbe ancora in attesa di un voto se non fosse stato per loro. E' grazie a voi
se sono come sono.
Ringrazio mio fratello Riccardo che, anche se gioca a fare il duro, in realtà ha un cuore
grande e mi dimostra, a volte anche solo con una delle sue tipiche battute sarcastiche, di
volermi bene. Un po' di miele: ti voglio bene anch'io.
Ringrazio Giovanna, la mia ragazza, per tutti gli abbracci dati al momento giusto, per tutte
le parole dette al momento giusto, e perché poter dire ad una persona “mi hai cambiato la
vita” è una cosa che capita raramente. Sei la mia neve d'estate.
Ringrazio tutta la mia famiglia: mia nonna Tersilla per avermi insegnato il vero significato
della parola “forza” e per la dolcezza e l'ammirazione che leggo nei suoi occhi ogni volta
che mi guarda; mia cugina Angela perché in lei ho scoperto una vera amica, una
chiacchierata con lei ogni volta è come una ventata di aria fresca; i miei zii Lucio e Lorena
per la forte presenza nella mia vita, non solo con il sole ma anche quando le nuvole hanno
coperto tutto con la loro ombra; i miei zii Nicola e Annalisa e mia cugina Elisa perché
anche la loro presenza è stata ed è importante; infine, tutti gli altri zii che, anche se ci
vediamo poco, so che mi pensano e che mi vogliono bene.
Ringrazio i miei amici di Venezia: Mauro, Vecio, Bionda, Andrea, Giorgia e Sofia per le
mille avventure passate insieme e perché, anche se la mia vita ha cambiato baricentro
geografico e ci vediamo meno, so che per me ci saranno sempre così come io ci sarò
sempre per loro.
Ringrazio il mio “fratello maggiore” Simone perché mi ha aiutato a crescere e ad aprirmi
quand'ero più piccolo e per la bontà d'animo che non ho mai trovato in nessun'altra
persona. Anche se il tempo passa e modifica le cose, quando ci vediamo, ogni volta
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sembra non essere passato mai.
Ringrazio Luca e Assia, i miei due grandi amici milanesi. Siete la prova che la distanza
non conta se l'amicizia è un'amicizia che vale davvero. Tanti sono i ricordi che ci legano e
mi auguro che continueranno ad aumentare negli anni.
Un grazie a tutti i miei amici di Vicenza che potrei definire compagni di viaggio: ho
scoperto grazie a voi che condividere una passione come il canto, condividere
un'esperienza come un musical o un concerto è fantastico e ti lega in maniera
indissolubile.
Mi auguro di vivere altre mille avventure insieme a voi e alla musica.
Ringrazio Cristina e Lorenzo per avermi accolto a braccia aperte nella loro famiglia.
Ringrazio il Professor Mirto Mozzon per la grande disponibilità e per la competenza
dimostratemi.
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BIBLIOGRAFIA
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meccanica, relatore M. Mozzon, Università degli studi di Padova, a.a. 2009/2010
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http://www.global-hydrogen-busplatform.com/Technology/HydrogenProduction/reforming
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http://www.opef.it/userfiles/Gassificazione_del_carbone.pdf
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