Riassunto "Tecnologie energetiche a basso impatto ambientale"

Celle a combustibile

Elettrolisi: scinde idrogeno e ossigeno contenuti nell'acqua applicando una differenza di potenziale.

Le celle a combustibile sfruttano l'elettrolisi inversa: ricombinano idrogeno e ossigeno per generare energia elettrica.

Funzionamento:

• vengono immessi nella cella idrogeno (all'anodo) ed ossigeno (al catodo),
• le due elettrodi tendono a combinarsi in H₂O, ma essendo la catoda viene posta una membrana elettrolitica che permette il passaggio solo agli ioni H⁺ (idrogeno privato di un elettrone).

Gli elettroni staccati dall’idrogeno tendono a raggiungere l’ossigeno, ma, non potendo passare dalla membrana, sono veicolati attraverso un circuito esterno e pertanto viene aumentato il rendimento della pressione data.

L'energia elettrochimica aumentata viene temperatura del prodotto.»

“Il massimo lavoro elettrico (We) ottenibile in una cella a combustibile operante a temperatura e pressione costante è dato dalla trasformazione in energia libera di Gibbs (ΔG) della reazione elettrochimica. We= -ΔG= -mE F ”

Equazione di Nerst: La forza elettromotrice dipende dalla temperatura e dalla concentrazione di prodotti e reagenti.

Nella reazione che avviene nelle celle a combustibile la temperatura aumenta ed il potenziale diminuisce.

Le celle a combustibile hanno il pregio di fornire tanta energia ma lo svantaggio di produrre poco corrente (potenziale).

Un aumento di pressione fa aumentare il potenziale, un aumento di temperatura fa aumentare la velocità di reazione.

Efficienza cella:

L'efficienza della cella a combustibile è maggiore di quella di un motore a combustione perché non è governata dal ciclo di Carnot in quanto la conversione di energia non passa tramite una reazione termica ma direttamente da energia chimica ad energia elettrica.

L'efficienza è data dal prodotto di 3 elementi:

1. Efficienza termodinamica = ^{energia libera}/_entalpia
2. Efficienza di voltaggio = ^{tensione reale (proditta)}/_{tensione di equilibrio}
3. Efficienza di corrente = si misura mediante il consumo di combustibile

Energia reale = energia di equilibrio - perdite

Perdite: una parte di energia si disperde nell'ambiente sottoforma di calore e l'energia reale diminuisce.

Le perdite nelle reazioni possono essere dovute a:

1. Perdite di attivazione (adsorbimento dell'idrogeno)
2. Perdite ohmiche (conduttori di 1^a specie) (metalli e semiconduttori)
3. Perdite di concentrazione (conduttori di 2^a specie) (soluzioni di acidi, basici e sali)

Celle a combustibile

Elettrolisi: scinde idrogeno e ossigeno contenuti nell'acqua applicando una differenza di potenziale.

Le celle a combustibile sfruttano l'elettrolisi inversa: ricombinano idrogeno e ossigeno per generare energia elettrica.

Funzionamento: vengono immessi nella cella idrogeno (all'anodo) ed ossigeno (al catodo), che nelle celle tende a combinarsi con l'H₂ O. In questo modo il catodo viene posta una membrana elettrolitica che permette il passaggio solo agli ioni H⁺ (l'idrogeno privato di un elettrone).

Gli elettroni staccati dall'idrogeno tendono a raggiungere l'ossigeno ma, non potendo passare dalla membrana, sono veicolati attraverso un circuito esterno. L'energia elettrochimica aumenta con l'aumentare della pressione e colata temperatura.

"Il massimo lavoro elettrico (W_el) ottenibile in una cella a combustibile operante a temperatura e pressione costante è dato dalla trasformazione in energia libera di Gibbs (ΔG) della reazione elettrochimica. W_el = ΔG = mF * E_m"

Equazioni di Nernst: la forza elettromotrice dipende dalla temperatura e dalla concentrazione di prodotti e reagenti.

Nella reazione che avviene nelle celle a combustibile la temperatura aumenta ed il potenziale diminuisce. Le celle a combustibile hanno il pregio di fornire tanta energia, ma lo svantaggio di produrre una forza corrente (potenziale). Un aumento di pressione fa aumentare il potenziale, un aumento di temperatura fa aumentare la velocità di reazione.

Efficienza della cella: l'efficienza della cella a combustibile è maggiore di quella di un motore a combustione perché non è generata dal ciclo di Carnot in quanto la conversione di energia non passa tramite una reazione termica ma direttamente da energia chimica ad energia elettrica. L'efficienza è data dal prodotto di 3 elementi:

• Efficienza termodinamica: energia libera
• Efficienza di voltaggio: tensione reale (prodotta) / tensione di equilibrio
• Efficienza di corrente: si misura mediante il consumo di combustibile.

Energia reale = energia di equilibrio - perdite

Perdite: una parte di energia si disperde nell'ambiente sottoforma di calore e l'energia reale diminuisce.

Le perdite nelle reazioni possono essere dovute a:

1. Perdite di attivazione (ossidazione dell'idrogeno)
2. Perdite ohmiche (conduttori di specie) (metalli e semiconduttori)
3. Perdite di concentrazione (conduttori di 2° specie) (soluzioni di acidi, basi e sali)

Esistono diversi tipi di celle, in base al tipo di membrana (elettrolita):

PEFC (Polymer Electrolyte Fuel Cell)

• Elettrolita: polimero solido (Nafion)
• Temperatura operativa: 0 ÷ 100°C
• Combustibili: idrogeno o alcol
• Efficienza elettrica: 40 ÷ 60%
• Catalizzatori: platino (anodo e catodo). Se l'idrogeno ha impurità, il platino non funziona come catalizzatore, quindi si usa un idrogeno molto puro.

Reazioni:

• Anodo: H₂ → 2 H⁺ + 2e^-
• Catodo: 2 H⁺ + 2 e^- + 1/2 O₂ → H₂O

Applicazioni: utilizzabili nei mezzi di trasporto come motore principale o come extended range (aumentare l'autonomia e le funzioni ausiliarie).

• I migliori motori diesel hanno un'efficienza del 15 ÷ 35%, mentre le celle PEFC del 30 ÷ 50%.
• Le fonti energetiche rinnovabili potrebbero utilizzare l'energia per scindere l'idrogeno dall'acqua, per poi usarlo nelle fuel cells.

SOFC (Solid Oxide Fuel Cell)

• Elettrolita: ceramico (Ossido di Zirconio)
• Temperatura operativa: 850 ÷ 1000°C
• Combustibili: idrogeno o metano
• Efficienza elettrica: 45 ÷ 65%
• Catalizzatori: nickel (anodo), manganato di bario e stronzio (catodo)

Reazioni:

• Anodo: H₂ + O^2- → H₂O + 2 e^-
• CO + O^2- → CO₂ + 2 e^-
• CH₄ + 4O^2- → 2 H₂O + CO₂ + 8e^-
• Catodo: 1/2 O₂ + 2 e^- → O^2-

Steam reforming, serve a rigenerare il metano ed a produrre idrogeno:

1. Reforming primario (endotermico): CH₄ + H₂O → CO + 3 H₂
2. Water gas shift (leggermente esotermico): CO + H₂O → CO₂ + H₂

PEM (Proton Exchange Membrane Fuel Cell)

• Elettrolita: membrana semipermeabile che deve separare i reagenti (idrogeno e ossigeno) e trasportare i protoni. Membrana acida.
• Temperatura operativa: 80 ÷ 200°C
• Catalizzatori: platino
• Difficilità: costi, performance

DAFC (Direct Alcohol Fuel Cell)

• Utile nei dispositivi portatili; molta autonomia. Quanto maggiore di catalizzatori.
• Vantaggi: usano combustibili liquidi; quindi il volume è minore e il trasporto è semplice.
• Svantaggi: grande utilizzo di metalli nobili, bassa efficienza.

Produzione e accumulo di idrogeno

L'idrogeno viene proposto come vettore energetico alternativo ai derivati del petrolio.

Vettore energetico: composto in grado di veicolare l'energia da una forma ad un'altra.

Idrogeno: è l'elemento più leggero e abbondante del pianeta.

Allo stato elementare può presentarsi molecola biatomica (H₂),

ma essendo molto reattivo non si trova in forma pura, bensì nei composti (soprattutto acqua).

Per la produzione dell'idrogeno si genera anidride carbonica che è facilmente

riciclabile (ciclo chiuso). Nell'utilizzo dell'idrogeno si producono prodotti

che hanno un punto di infiammabilità molto basso ma il rischio può

essere evitato con un adeguato stoccaggio, inoltre essendo un gas volatile,

in caso di incendio va infuori verso l'alto.

Come vettore energetico può essere utilizzato sia nei tradizionali motori a

combustione interna che nei motori elettrici tramite le celle a combustibile

(con efficienza doppia e minore volume di accumuli).

Produzione

L'idrogeno liquido si ottiene ad una temperatura molto bassa (-250 °C) ed il

processo è costoso e complicato, quindi nella maggior parte dei casi si produce gassoso.

Può essere prodotto con processo chimico, elettrolisi o processo fotobiologico.

1. Processo chimico: è il modo più economico e richiede l'utilizzo di idrocarburi

(in grande scala)

• Steam reforming: reazione endotermica che avviene a circa 1000°C.

CH₄ + H₂O → CO + 3H₂

Il prodotto di reazione è syngas (CO + idrogeno)

• Water gas shift: reazione leggermente esotermica

CO + H₂O → CO₂ + H₂

⇒ Il risultato è una reazione endotermica:

CH₄ + 2H₂O → CO₂ + 4H₂

⇒ Gassificazione: ulteriore metodo il cui prodotto può essere

anche usato nella water gas shift.

C + H₂O → CO + H₂

2. Elettrolisi: consiste nell'applicare una differenza di potenziale in modo da

(per piccola produzione) scindere i componenti dell'acqua. Al nodo si deposita ossigeno e al

catodo idrogeno. Il valore minimo per scindere le molecole d'acqua

è di 1,23 V ma la scissione inizia dopo circa 1,6 V a causa delle

perdite di attivazione, ohmica e diffusione.

efficienza dell'elettrolisi è di circa il 95%.

La linea di "termoneutralità" indica la temperatura minima di attivazione

del processo se l'elettrolisi avviene ad alta temperatura la reazione

è facilitata, quindi si risparmia energia elettrica, aumenta l'efficienza.

Si può utilizzare il calore termico per peririzzare l'acqua.

3. Fotoelettrolisi: sfrutta l'effetto fotovoltaico per generare energia elettrica

(PEC - Photochemical cells) e avviare l'elettrolisi. Gli elettrodi sono fatti di

semiconduttori che svolgono funzione di fotocatalitici, in

diretto contatto con l'acqua. L'energia necessaria è prodotta

di giorno e l'utilizzo dell'idrogeno con le celle a combustibile

quando cessa la radiazione solare.

Processo fotobiologico

alcune alghe e batteri (ciambatteri), sotto l'effetto della radiazione luminosa che viene assorbita dalle cellule dei microrganismi e grazie ad alcuni enzimi che contengono ferro e nichel sono capaci di scindere le molecole d'acqua.

Accumulo

Nell'accumulo è difficile avere contemporaneamente una buona densità gravimetrica (densità d'energia per unità di massa) e volumetrica (densità d'energia per unità di volume). All'aumentare dell'accumulo si ha un sistema sempre più ordinato, con rilascio di calore. Le tecniche più diffuse sono: idrogeno compresso, idrogeno liquido, accumulo chimico (idruri metallici), fisiosorbimento.

1. Gas compresso: l'idrogeno viene compresso con un lavoro pari alla differenza di entalpia più il calore necessario al raffreddamento (w_e=H₂-H₁+?). Per la sola compressione si perde minimo il 15% del potere calorifico superiore dell'idrogeno (energia termibile). Inotre il compressore usa la compressione adiabatica che è meno efficiente di quello isoterma quindi per alte pressioni si può perdere fino al 20% del P.C.I. All'aumentare della pressione aumenta la densità volumetrica mentre diminuisce quella gravimetrica. Oggi l'idrogeno viene accumulato in bombole da 200-300 bar, ma se ne stanno sperimentando anche da 700 bar. All'aumentare della pressione aumenta di molto lo spessore delle bombole e quindi anche il peso (una bombola contiene circa 1kg di idrogeno ma pesa circa 50, 60 Kg). Bombole composite: servono a contenere il gas a 700 bar. Costituite strato di metallo (per contenere il gas), e fibra di carbonio (per la resistenza meccanica). Coefficiente di sicurezza: peso specifico/compressione=3
2. H₂ liquido: è interessante perchè la densità energetica è molto maggiore dell'H₂ gassoso ma per tenerlo bisogn abbaissare molto la temperatura (-253) per liquefare l'idrogeno oltre a diminuire la temperatura bisogna anche aumentare la pressione quindi si perde tra il 20 e il 30% del P.C.I. per toccare l'idrogeno liquido servono termometri isolati e guanti (molta dispersione), (questo liquido è una nuvola sempre interessante per densità volumetrica).
3. Idruri metallici: inione idrogeno e metallo alcalino alcalino terre (acc. chimico) L'idrogeno si inserisce negli interstizi del metallo, quindi questo deve avere forma di polveri trucioli per offire maggior superficie disibile di naturali vengono caricati gli iduri aumentano la pressione superficiale di quella del vapore e a temperatura ambiente.
4. Fisiosorbimento: = (come assorbimento fisico) per attaccare molecole di gas alle molecole del corpo attaccato vince la forza di Van der Waals (non ha scambio e peso alto perchè servono ionone pressione e temperature) Normotibi diversa forma (altoglicica) con cui presenti il carbonio.