Fuel Cells tesina

Andrea Bertazzoli

Istituto di Istruzione Superiore Statale

“G. Cigna”

Anno Scolastico 2013/2014

INDICE

Introduzione

1. Produzione dell' idrogeno

1.1. Produzione da fonti rinnovabili

1.1.1. Produzione dalle biomasse

1.1.2. Processi biotecnologici

1.1.3. Decomposizione termochimica dell'acqua

1.2. Produzione mediante l'elettrolisi dell'acqua

1.3. Altri metodi di produzione

1.3.1. Sintesi e cracking dell'ammoniaca

1.3.2. Fuel Ball

2. Immagazzinamento e trasporto dell'idrogeno

2.1. Stoccaggio fisico

2.1.1. Compressione dell'idrogeno

2.1.2. Liquefazione dell'idrogeno

2.1.3. Microsfere di vetro

2.2. Stoccaggio chimico

2.2.1. Idruri metallici

2.2.2. Idruri chimici

2.2.3. Nanostrutture in carbonio

2.2.3.1. I fullereni

2.2.3.2. I nanotubi

2.2.3.3. Le nanofibre

2.3. Trasporto

2.3.1. Trasporto su strada

2.3.2. Pipeline

3. Funzionamento e tipologie di fuel cell

3.1. Evoluzione delle celle a combustibile

3.2. Principio di funzionamento

3.2.1. Architettura della fuel cell

3.2.2. Produzione di energia elettrica dall'energia chimica

3.3. Confronto tra sistema tradizionale e sistema con fuell cell

3.4. Tipi di celle a combustibile

3.4.1. Fuel cell con elettrolita a membrana polimerica a scambio

protonico (PEM)

3.4.2. Fuel cell a elettrolita alcalino (A-FC)

3.4.3. Fuel cell a carbonati fusi (MC-FC)

3.4.4. Fuel cell a ossidi solidi (SO-FC)

3.4.5. Fuel cell ad acido fosforico (PA-FC)

3.5. Vantaggi e limiti per l'applicazione della fuel cell

4. PEM nelle applicazioni in campo veicolare

4.1. PEM dal punto di vista elettrico

4.1.1. Lo stack

4.1.2. Perdite di impianto in un sistema di fuell cell

4.2. Vantaggi e svantaggi degli stack PEM

4.3. PEM dal punto di vista termodinamico

4.3.1. Energia erogata dalla fuel cell PEM

4.3.2. Rendimento energetico di una cella

4.3.3. Rendimento ideale e reale di una cella

4.3.4. Difficile funzionamento all'ottimo nella realtà

4.3.5. Rendimento di uno stack composto da fuel cell PEM

Conclusione INTRODUZIONE

Negli ultimi anni, al centro di dibattiti internazionali, si sono presentate problematiche

sempre più gravi quali: l'esaurimento delle riserve di combustibili fossili, la richiesta

sempre maggiore di energia da parte di tutti i paesi del mondo, il “caro petrolio” con il

conseguente aumento dei prezzi dei carburanti e soprattutto l'inquinamento (ad es. “gas

serra”) e i relativi effetti ambientali. Si sta spingendo dunque alla ricerca e alla

sperimentazione di nuove fonti energetiche soprattutto di carattere rinnovabile, con bassi

costi e con il minor impatto ambientale possibile.

Un ambito fortemente influenzato da questo tipo di problematiche e di ricerche è il settore

automobilistico che vede calare esponenzialmente le sue vendite a livello internazionale.

Ciò è determinato dal fatto che l'utenza media ricerca automobili con costi di

mantenimento modesti, con bassi consumi e emissioni di gas nocivi minime, senza però

rinunciare alle prestazioni e al piacere di guida regalato dalle auto più classiche.

Si introduce quindi il concetto di mobilità sostenibile che si basa su veicoli a combustibile

alternativo come i motori a bioetanolo, biodiesel, ibridi o addirittura totalmente elettrici gli

studi dei quali ultimi sono stati notevolmente sviluppati negli ultimi anni; tali soluzioni però

non risolvono la dipendenza dalle fonti non rinnovabili come i combustibili fossili e delle

elevate emissioni di gas inquinanti, inoltre portano una serie di altri svantaggi tra i quali

possiamo citare il disboscamento di ampie zone nella quale vengono istituite enormi

piantagioni di canna da zucchero atte alla produzione del bioetanolo, oppure la scarsa

autonomia del motore elettrico che richiede ore di ricarica.

La soluzione a tali problematiche è proprio l'idrogeno che negli ultimi anni ha suscitato

molto interesse come risorsa energetica e, soprattutto, come fonte rinnovabile e

totalmente pulita; questa sostanza è infatti un vettore di energia notevole in quanto

presenta una densità energetica superiore a qualunque altro combustibile noto. Possiamo

dunque definirlo come il migliore sistema di accumulo energetico attualmente disponibile.

Purtroppo però l'idrogeno, nonostante sia la sostanza più abbondante nell'universo, è

difficile da trovare al suo stato di aggregazione elementare a causa della sua elevata

volatilità; occorre pertanto ricavarlo da composti che ne contengono una buona quantità

(acqua, sostanze organiche, organismi vegetali...) utilizzando una fonte di energia

esterna.

A tale scopo vengono dunque utilizzati diversi processi industriali: alcuni sono ancora

legati all'utilizzo dei combustibili fossili, altri invece sono alquanto innovativi e si affidano,

per esempio, a nuove tecniche di produzione di biomasse, alghe, biogas, batteri... oppure

all'utilizzo dell'energie rinnovabili (eolica, fotovoltaica, idroelettrica...). Quest' ultime però

sono ancora molto costose, spesso il loro utilizzo non è economicamente conveniente e,

inoltre, non sono per niente competitive rispetto all'utilizzo di processi industriali legati alle

fonti esauribili, nonostante si stia cercando una soluzione che porti ad una totale eco-

compatibilità dell'uso e della produzione di idrogeno. Attualmente l'alternativa sostenibile

più valida, anche se molto onerosa, è l'elettrolisi, processo che permette la scissione della

molecola d'acqua in idrogeno e ossigeno mediante una cella elettrolitica che viene

alimentata da corrente continua. È d'obbligo specificare che l'energia elettrica necessaria

dev'essere totalmente fornita da fonti rinnovabili quali quelle sovra citate; uno degli

obiettivi che si sta infatti raggiungendo è proprio l'applicazione di tali metodologie

alternative che possano portare alla produzione di un carburante totalmente “pulito” e che

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siano convenienti anche dal punto di vista economico.

Bisogna tener presente un secondo problema che sorge dall'utilizzo dell'idrogeno:

l'immagazzinamento e il trasporto. Fortunatamente esistono tecnologie e processi agli

ultimi stadi di sviluppo che ci fanno intravedere una soluzione a tale problema.

Nel settore automobilistico si possono distinguere principalmente due tipologie di utilizzo

di tale elemento: il motore a combustione interna di idrogeno, meno recente, già utilizzato

e sperimentato, che riduce sicuramente le emissioni di sostanze nocive prodotte dalle

vetture tradizionali, ma che non riesce a sfruttare pienamente le potenzialità di tale

risorsa. La seconda possibilità, molto recente e soprattutto in ampia fase di sviluppo, è

l'utilizzo dell'idrogeno nelle celle a combustibile, dispositivi che si basano su princìpi

elettrochimici per convertire l'energia chimica in energia elettrica, acqua e calore

promettendo, oltre a un processo totalmente pulito, un' efficienza energetica molto elevata

e un motore totalmente silenzioso in quanto sono assenti organi rotanti. Quest'ultima

tecnologia è ormai quasi totalmente sviluppata, tanto che le case automobilistiche

sostengono di poter introdurre nel mercato veicoli che sfruttano questa tipologia di motori

entro i prossimi 5 anni.

Nei prossimi capitoli verranno chiariti la produzione e lo stoccaggio dell'idrogeno in

particolare per quanto attiene all'utilizzo di fonti rinnovabili con le relative problematiche, il

principio di funzionamento e un breve confronto tre le tipologie di fuel cell, infine verrà

presentato l'utilizzo delle celle a combustibile di tipo PEM con relative caratteristiche dal

punto di vista elettrico e termodinamico e con il recente impiego nel settore

automobilistico. 2

CAPITOLO 1: Produzione dell'idrogeno

1.1.Produzione da fonti rinnovabili

1.1.1.Produzione dalle biomasse

Le biomasse, dal punto di vista energetico, sono forme biotiche che possono fornire

energia. Esse offrono un grande contributo alla diminuzione dell' emissione di gas serra

nell'aria in quanto la CO che emettono durante la loro ossidazione è praticamente

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equivalente a quella che assorbono durante il loro ciclo vitale. Tramite le biomasse si

possono produrre sia idrogeno che metanolo. A tale scopo vengono impiegati due

processi: la gassificazione diretta con apporto di vapore acqueo, seguita dal reforming del

gas prodotto e la pirolisi veloce con reforming, invece, della fase liquida.

Gassificazione: all'interno di un gassificatore la biomassa viene convertita in

• un gas di sintesi attraverso la reazione parziale con ossigeno e mediante

l'aggiunta di calore; questo gas è composto principalmente da idrogeno,

metano, vapore acqueo, monossido e biossido di carbonio. Il gas viene

raffreddato e purificato ottenendo così una miscela con circa il 60-62% di

idrogeno, questa viene infine sottoposta alle reazioni di reforming (reazione

per aumentare la quantità di idrogeno a discapito di sostanze come CH4) e di

shift (reazione tra monossido di carbonio e acqua che dà idrogeno e anidride

carbonica).

Pirolisi veloce: questo processo produce un bio-olio dalla quale poi si potrà

• successivamente estrarre l'idrogeno. Nella pirolisi le biomasse vengono

degradate tramite calore determinando la formazione di una frazione

gassosa, una liquida e una solida. Nella pirolisi veloce, invece, si massimizza

la produzione della frazione liquida portando la biomassa fino a temperature

tra i 500° e i 650° centigradi a pressione atmosferica riducendo così il tempo

di percorrenza dei vapori nel reattore. Tramite la reazione di reforming viene

convertito il bio-olio in idrogeno (la produzione di bio-olio risolve il problema

del trasporto delle biomasse in quanto molto voluminose).

1.1.2.Processi biotecnologici

Sono processi molto innovativi, alcuni addirittura ancora in fase di sperimentazione, che

sfruttano processi biologici esistenti in natura per convertire una fonte energetica primaria

nel vettore idrogeno, abbassando così il tasso inquinante degli scarti prodotti; in

particolare le emissioni di CO che, provenendo da mezzi organici, non vanno ad

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aumentare l'effetto serra. Questi metodi, molto probabilmente, non incideranno

considerevolmente sulla produzione dell'idrogeno in futuro, in quanto presentano costi di

produzione alquanto elevati e alcune problematiche tecniche.

I metodi sui quali si sta maggiormente lavorando sono:

alcune biomasse, attraverso un processo

Fermentazione da colture dedicate:

• di fermentazione in presenza di batteri, producono alcool etilico oppure

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idrogeno. L'alcool però può essere sottoposto a reforming con vapore acqueo

per produrre a sua volta idrogeno.

Fotoproduzione: processo che prevede che alcune tipologie di alghe verdi

• vengano esposte ciclicamente alla luce del sole e al buio, sviluppando un

particolare enzima chiamato idrogenasi che permette la produzione di

idrogeno. A tutt'oggi la biogenetica sta tentando di separare ceppi di alghe con

idrogenasi non condizionata dalla presenza di ossigeno, che normalmente

inibisce l'enzima. Un'altra tipologia di processo riguarda degli speciali batteri

chiamati fotosintetici, in grado di produrre idrogeno mediante l'energia solare;

una specie particolare di tali batteri riesce addirittura ad effettuare la reazione

di shift reforming. A causa di ciò sono stati istituiti, in alcuni laboratori, reattori

biologici contenenti questi batteri e in grado di ridurre notevolmente il

contenuto di CO nel gas che li attraversa.

1.1.3.Decomposizione termochimica dell'acqua

Consiste in una serie di reazioni che avvengono in alcuni impianti tutt'ora sperimentali e

che prevedono la produzione di idrogeno e ossigeno dalla decomposizione dell'acqua

passando attraverso specie chimiche intermedie, tipicamente acido solforico. Tali reazioni

necessitano di temperature molto elevate.

1.2.Produzione mediante elettrolisi dell'acqua

Come già anticipato nell'introduzione questa metodologia non è economicamente

conveniente; nonostante ciò tale problema può essere attutito accoppiando tale processo

ad impianti di produzione di energia elettrica basati su fonti rinnovabili. L'elettrolisi

dell'acqua è ampiamente diffusa per la produzione di un idrogeno molto puro.

L'impianto è costituito da: un deionizzatore per ottenere l'acqua distillata, un convertitore