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ALVISI Dott. Ing. MATTEO ALVISI Ing. H.C. CESARE via A.Fogazzaro, 1 37047 San Bonifacio (VR)

Tel/Fax: 045/6104959 [email protected] www.acmproject.it

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IDROGENO

Accumulo di Energia.

Redatto da Studio di Ingegneria Alvisi Dott. Ing. Matteo in San Bonifacio (VR)

Alvisi Ing. H.C. Cesare

INDICE PREMESSA.........................................................................................................................................3

QUANTA ENERGIA CONSUMIAMO .............................................................................................3

In Italia .............................................................................................................................................3

Nel Mondo .......................................................................................................................................5

COSTI DELL’ENERGIA...................................................................................................................6

Costo e riserve di Uranio ...........................................................................................................11

LE FONTI ENERGETICHE DISPONIBILI.....................................................................................14

SOLARE ........................................................................................................................................14

Termico ......................................................................................................................................14

Fotovoltaico ...............................................................................................................................14

NUCLEARE ..................................................................................................................................16

ACCUMULO E PRODUZIONE D’ENERGIA................................................................................17

Caratteristiche dell’Idrogeno..........................................................................................................17

Produzione dell’Idrogeno...............................................................................................................19

I rifiuti solidi urbani (RSU)? una ricchezza. ..................................................................................23

Idrogeno da Elettrolisi....................................................................................................................27

CONCLUSIONI.................................................................................................................................30

REALIZZAZIONI .............................................................................................................................31

Impianto Tipo.................................................................................................................................33

Dimensionamento di un impianto ipotizzato. ................................................................................34



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3

PREMESSA Questo lavoro, come molti altri dello stesso avviso, attinge informazioni da fonti

pubbliche, giornali, riviste specializzate, Web, testi ecc., materiale importante per

mettere in evidenza, la dove fosse necessario, l’importanza di produrre energia

garantita e garantibile, nel tempo e nella quantità, senza limiti e possibilmente a basso

costo, sia in termini diretti del singolo interessato, che da sistemi di interscambio

(esempio conto energia), limitando così anche i vincoli territoriali. Un elemento

protagonista di questa possibile filosofia, quale vettore energetico, con poco residuo

finale, è attualmente l’Idrogeno, ottenibile da molte fonti.

Pertanto è importante raccogliere più dati possibili, rispettando gli autori che con

impegno e dedizione, prima di noi, hanno prodotto e selezionato le informazioni qui

sinteticamente raccolte.

Una prima valutazione per capire quanto serve energeticamente produrre per il

bisogno della Società, lo ricaviamo da alcuni dati sotto riportati, rilevati da WEB.

QUANTA ENERGIA CONSUMIAMO

In Italia

I dati riportati sono tratti dal “Rapporto Energia e Ambiente 2004” dell’Enea e sono relativi all’anno 2003 (http://www.pratospilla.pr.it)



In Italia consumiamo circa 200 milioni di tep (tep = tonnellata equivalente di

petrolio/unità di misura dell’energia), pari a circa 2300 miliardi di chilowattora di

energia primaria all'anno, così riparti.

QUALI SONO LE FONTI ENERGETICHE IN ITALIA? Oggi le abitazioni sono ricche di elettrodomestici, le case sono più grandi e più

climatizzate, vi è un’auto ogni due persone e le fabbriche a maggior consumo

energetico hanno posto rimedio, dove possibile, con l’impiego di nuove tecnologie e

quindi, la ricerca di fonti energetiche, è la più variegata.

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COME VIENE DISTRIBUITA L’ENERGIA NELLE ABITAZIONI?

Nel Mondo

Valutazione mondiale di utilizzo energetico per avere sotto mano dei dati significativi alla fine delle opportune valutazioni (http://www.pratospilla.pr.it)

Dati ENEA –TEP = Tonnellata equivalente di petrolio/unità di misura dell’energia

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http://www.pratospilla.pr.it/



Considerando i consumi degli ultimi 35 anni e guardando le previsioni di

un'importante agenzia,l'E.IA.,del Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti (D.O.E.),

i consumi energetici continueranno ad aumentare, con conseguenze gravissime in

termini ambientali, sociali ed economici, se non viene posto un immediato rimedio.

COSTI DELL’ENERGIA

Il CIRN (Comitato Italiano per il Rilancio del Nucleare) ha recentemente

aggiornato (al 10 giugno 2006) una tabella (di seguito riportata) in cui si effettua

un’ analisi comparata di tutti i fattori che incidono sui costi di ogni singola fonte

energetica.

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(Note – vedere allegati)

Da tale tabella (denominata “Tabella permanente dell’energia”) si evincerebbe che la

scelta del nucleare sarebbe vantaggiosa sotto l’aspetto economico grazie a un

basso costo per ogni kilowattora di energia elettrica prodotta. Tale analisi non è

fatta considerando che la riserva di Uranio potrebbe essere limitata in quantità nei

prossimi 40 anni.

Secondo il CIRN, i costi comparati delle varie fonti di energia sono di circa 2.6

centesimi di euro per il nucleare, 5.2 per il carbone, 10.0 per l’olio combustibile,

11.2 per il gas a ciclo combinato, 65.5 per il fotovoltaico, 18.1 per l’eolico.

Tra le altre cose c’è da dire che le cifre del CIRN sono state valutate in 30 anni con

interesse del 5% e, ogni anno, viene restituito 1/30 del capitale più l’interesse del 3%

sul capitale ancora non restituito più il 2% di inflazione. Infatti viene ipotizzata una

vita media di circa 30 anni per una centrale nucleare.

http://www.archivionucleare.com/index.php/2006/06/21/quanto-costa-kilowattora-energia/

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http://www.archivionucleare.com/index.php/2006/06/21/quanto-costa-kilowattora-energia/



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Dal “Sole 24ore” di lunedì 26 Maggio 2008 Fotovoltaico, crescite record in tutto il mondo.

Dal 2004 al 2006 la produzione di celle é raddoppiata, passando da 1256 a 2540

MWp.

II mercato é guidato dalla Cina, che entro il 2008 arriverà a 1.540 MWp.

In Europa il paese leader é la Germania, seguita a grande distanza dalla Spagna,

dall’Olanda e dall’Italia.

II fotovoltaico é il mercato tecnologico con il più elevato tasso di crescita nel mondo. La prova?

Ogni due anni la produzione di celle nel mondo raddoppia: secondo i dati forniti da Photon

International, negli ultimi 2 anni é passata da 1.256 MWp a fine 2004 a 2.540 MWp nel 2006. La

potenza del 2006 é cresciuta di 720 MWp rispetto al 2005 (+40%).

Rispetto alle tecnologie Utilizzate, il mercato fotovoltaico oggi é dominato dalle celle cristalline per

quasi il 90% del totale prodotto: 46,5% policristalline e 43,4% monocristalline. La quota

percentuale dei film sottili cresce e arriva al 7,6% con 191 MWp prodotti. In questo ambito si

registra il 4,7% per le celle al silicio amorfo, 2,7% per quelle al tellurio di cadmio (2,7%), 0,2% per

celle CIS. Infine, le celle ribbon & sheet coprono una quota del 2,6%. Nel ranking mondiale delle

industrie produttrici di celle, la giapponese Sharp mantiene il primato anche nel 2006, con una

produzione pari a quasi 435 MWp, ma l'incremento annuale é stato solamente dell'1,7% rispetto al

2005. La sua quota di mercato passa dal 23,6% del 2005 al 17,1%. Nel 2007 Sharp ha aumentato la

capacità produttiva portandola a 710 MWp (+18% rispetto al 2006). In seconda posizione si

conferma la Q-Cells: 253 MWp nel 2006 (+53% rispetto al 2005) e una quota di mercato del 10%.

Al terzo posto la giapponese Kyocera con 180 MWp (+27% rispetto al 2005) e una perdita di quota

di mercato dal 7,8% al 7,1%. In grande crescita la cinese Suntech Power, al quarto posto (era al 10°

nel 2004), con una quota di mercato cresciuta dal 4,5% al 6,3% e un raddoppio della produzione in

un solo anno (160 MWp). Al quinto posto Sanyo Electric, con 155 MWp prodotti nel 2006 (+25%

rispetto al 2005) e una quota di mercato in calo (6,1% contro 6,9% del 2005).



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Molte le realtà produttive emergenti, soprattutto in Asia. La società di Taiwan Motech Industries

con 102 MWp di celle prodotte nel 2006 (+70%) forse il prossimo anno fará parte della top five dei

produttori.

In crescita anche la tedesca Solarworid che ha acquistato l'attività nel solare di Shell (90 MWp nel

2006). Altre società di punta sono l'americana Sunpower (celle monocristalline ad alta efficienza

con contatti sul retro), la cinese CEEG Nanjing PV-Tech e soprattutto la danese Baoding Tianwei

Yingli, un'azienda con produzione integrata verticalmente (wafer, celle e moduli) che ha grandi

obiettivi per il 2007 (150MWp). II primato mondiale, ormai, spetta alla Cina: cambia, dunque, la

geografia del fotovoltaico. Si stima una capacità produttiva cinese pari a 1.540 MWp entro la fine

dell'anno. Nel Paese asiatico è destinato a esplodere anche il numero delle installazioni, con il

conseguente aumento di volume per il mercato fotovoltaico mondiale.

IL MERCATO EUROPEO

Per quanto concerne l'Europa si registra un nuovo record nelle installazioni in Germania, il Paese

leader: circa 1.150 MW di potenza. II totale della potenza fotovoltaica installata in Germania a

fine 2006 é stato di 3.036 MW. II governo sta ripensando, al ribasso, gli importi delle tariffe

incentivanti al fotovoltaico. In Europa, molto distanti dalla Germania, la Spagna, l'Italia e l'Olanda.

In attesa dell'exploit delle installazioni cinesi, la Spagna sta tuttavia contendendo la terza posizione

nel mercato mondiale del fotovoltaico del 2007 agli Stati Uniti (dopo Germania e Giappone). In soli

12 mesi la Spagna é infatti passata da 35 MW installati del 2005 ai 110 MW del 2006.

Una crescita dovuta in gran parte al Decreto Reale (436/2004) che ha lanciato il conto energia

spagnolo, con incentivi per il fotovoltaico di 0,44 euro al kWh per 25 anni. L'industria spagnola é

lanciatissima: sono in arrivo progetti per altri 230 MW. Gli Stati Uniti intanto hanno raggiunto

quota 140 MW nel 2006 e dovrebbero attestarsi, secondo Solarbuzz, tra 204 e 235 MW nel 2007.

IL COSTO DEL FOTOVOLTAICO

Sul fronte economico, da segnalare il rapporto di Photon Consulting dal titolo "The True Cost of

Solar Power: 10 Cents by 2010". Secondo la società di consulenza tedesca, il costo dell'elettricità

solare potrebbe avvicinarsi a quello dell'elettricità prodotta nelle centrali termoelettriche alimentate

a carbone già entro il 2010.



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Entro il 2010 il chilowattora solare potrebbe costare 0,18 dollari in Germania, 0,13 dollari in

California e 0,12 dollari in Spagna, e alcune industrie leader del settore saranno in grado di portarlo

fino a 0,10 dollari, un costo equivalente a quello al dettaglio per le nuove centrali elettriche a

carbone.

Anche se non si parla di prezzi al consumatore finale, ma di costi totali di produzione e di

installazione (attualmente questi si aggirano intorno ai 25 centesimi di dollaro per chilowattora

prodotto) è certamente un risultato molto significativo. I miglioramenti nell'efficienza delle celle e

nei processi produttivi, l'incremento dell'effetto scala, i più vantaggiosi termini di finanziamento

porteranno a ridurre notevolmente il costo dell'energia fotovoltaica nei prossimi 3-4 anni, tanto da

raggiungere la soglia dei 10 centesimi di dollaro per kWh. Anche un'ipotesi conservativa che

preveda un costo di 0,15 dollari/kWh al 2010, renderebbe il costo dell'elettricità solare inferiore a

quello convenzionale per il 50% degli utenti residenziali e per il 10% di quelli commerciali, purché

quest'ultimo non decresca nei prossimi anni. A ostacolare questa probabile evoluzione del costo del

FV potrebbero esserci i più elevati tassi di interesse.

NOTE Analizzando i numeri riportati negli articoli soprastanti, possiamo rilevare che con le previsioni

fatte dal Sole 24ore, il fotovoltaico valutato 655 mills/kWh verrà a costare 52 mills/kWh nei

prossimi due anni, cioè pari al costo delle centrali a carbone. Consideriamo che per costruire una

centrale nucleare servono fino a 15 anni, mentre il fotovoltaico si aggira attorno all’anno. Altro

fattore importante da considerare è il reperimento del combustibile: uranio, per la centrale nucleare,

solare, per il fotovoltaico; la differenza tra i due sta nella quantità disponibile e nel stoccaggio delle

scorie radioattive.

La locazione dei due sistemi è estremamente differente, in quanto, mentre il nucleare ha bisogno di

un’area dedicata, perenne nel tempo e concordata con la popolazione, il fotovoltaico, invece, può

essere installato sui comuni tetti che sono spazi non calpestabili ritrovabili in tutte le unità abitative.



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Costo e riserve di Uranio

Le riserve accertate di Uranio

I dati più recenti sono quelli della Nuclear Energy Agency (IEA) e si riferiscono

alle stime del 2003. La quantità di Uranio disponibile nei giacimenti, che può essere

estratta al costo oggi competitivo di 80 $/kg, ammonta a 2458.12 migliaia di

tonnellate. Se invece si considera tollerabile il prezzo di estrazione più alto di 130

$/kg, le riserve di Uranio aumentano al valore di 3169.23 migliaia di tonnellate.

Da ogni 6 tonnellate di Uranio naturale si ricava 1 tonnellata di Uranio arricchito.

Quindi in termini di Uranio arricchito, combustibile per i reattori, la situazione delle

riserve è la seguente:

· 80 $/kg: 2458.12x103 t Unaturale 409.7x103 t Uarricchito.

· 130 $/kg: 3169.23x103 t Unaturale 528.2x103 t Uarricchito.

Consumo annuale di uranio per l’elettricità nucleare.

Da 1 t di Uranio arricchito si ricavano nella sua “combustione” 720x103 MWh

termici, da cui, con la consueta efficienza di trasformazione dei bollitori nucleari del

33%, si ottengono 720x0.33x103 = 238x103 MWhelettrici.

Quindi 1 t Uarricchito = 238x103 MWhelettrici



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Dalla fonte già citata e dall’ENEA si ricava che la produzione attuale di energia

elettronucleare nel mondo ammonta a 2597 TWh all’anno, cioè 2597x106

MWhe/anno. Quindi, oggi, il consumo annuale di uranio arricchito nel mondo è pari

a (2597/238)x103 = 10.93x103 t/anno.

Rapporto Riserve/Produzione.

Questo parametro è usato per ricavare una stima approssimata della durata delle

riserve. Esso è definito come il rapporto tra la quantità delle riserve diminuita della

quantità consumata nell’anno, il tutto diviso per la produzione annuale.

Applicando la definizione al nostro caso si ottiene rispettivamente:

• U arricchito derivato da quello a 80 $/kg: R/P = 36 anni

• U arricchito derivato da quello a 130 $/kg: R/P = 47 anni

Come si può vedere, abbiamo realizzato che l’uranio non è una fonte

energetica rinnovabile e che, anche nel caso migliore, non si va al di là dei 47

anni.

Inoltre, Attenzione! Si deve tenere presente che la durata reale delle riserve

diverrebbe notevolmente inferiore, se si dovesse verificare la ventilata ipotesi della

ripresa del nucleare con il conseguente aumento del tasso annuale di produzione che

nei conti precedenti è considerato nullo (mentre oggi è in leggera diminuzione).



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E’ chiaro che i fautori del nucleare ipotizzano lo sfruttamento dei giacimenti a costo

di estrazione maggiore (“C’è tanto di quell’uranio nell’acqua del mare, che….”), o,

facendo la solita fuga in avanti, danno per imminente l’avvento dei reattori veloci

autofertilizzanti, o fanno il collegamento temporale con l’avvento del nucleare a

fusione, ecc. ecc.

Rimanendo con i piedi per terra, cioè ancorati ai dati economici, oggi la situazione

delle riserve è quella descritta.

http://www.aspoitalia.net/documenti/coiante/nucleareidrogeno.html

http://www.aspoitalia.net/documenti/coiante/nucleareidrogeno.html



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LE FONTI ENERGETICHE DISPONIBILI Le sorgenti energetiche sono due: solare e nucleare. Le altre sono derivate.

SOLARE - Termico - Fotovoltaico

Termico Produzione di acqua calda attraverso pannelli termici esposti alla sorgente solare, il

cui rendimento termico si aggira sul 70%, trascurando le perdite d’esercizio;

l’utilizzo di tale fonte energetica deve essere consumata in breve tempo a causa di un

decadimento molto rapido dell’energia raccolta.

L’energia termica tendenzialmente si riporta in uno stato di quiete termica,

pareggiando la temperatura con l’ambiente circostante.

Fotovoltaico Produzione diretta di energia elettrica, proporzionale alla sorgente solare e

all’esposizione della superficie captante della cella fotovoltaica.

Nel contesto moderno, rappresenta una sorgente energetica di primo ordine, in quanto

tutto gira attorno alla corrente elettrica, ma soprattutto è una sorgente raggiungibile in

ogni parte della Terra.



Alcuni esempi

Campo fotovoltaico a falda su tetto, integrato con l’abitazione

Fotovoltaico a concentrazione di luce ed inseguimento solare

Fotovoltaico piano ad inseguimento solare

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NUCLEARE

Esiste in tutto il mondo una gran varietà di reattori per la produzione di energia

nucleare, che differiscono l'uno dall'altro per il tipo di combustibile, il moderatore o

il sistema di raffreddamento. Nei reattori moderati e refrigerati ad acqua, viene

generalmente usata acqua naturale (non pesante, cioè non acqua che, al posto del

normale idrogeno, ha due atomi di deuterio, un isotopo pesante dell'idrogeno il cui

nucleo contiene un neutrone oltre al solo protone dell'isotopo più diffuso) e questo

richiede l'impiego, come combustibile, di uranio arricchito (per ottenere un

materiale fissile che sia adatto a scopi nucleari, cioè che emetta una quantità

sufficiente di neutroni, è necessario aumentare la concentrazione dell'isotopo 235U

rispetto al più comune e meno radioattivo 238U).

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http://it.wikipedia.org/wiki/Acqua

http://it.wikipedia.org/wiki/Idrogeno

http://it.wikipedia.org/wiki/Deuterio

http://it.wikipedia.org/wiki/Isotopo

http://it.wikipedia.org/wiki/Neutrone

http://it.wikipedia.org/wiki/Protone



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ACCUMULO E PRODUZIONE D’ENERGIA Per accumulo si intende la disponibilità energetica istantanea, cioè la possibilità di

disporre di una determinata energia al comando nel momento in cui serve,

indipendentemente dalla sua sorgente. Per tanto se riflettiamo, tutte le forme

energetiche che utilizziamo, ad eccezione del nucleare e del solare, sono derivate e

non generate, per esempio: il metano e il petrolio sono energie accumulate nel tempo,

il solare e il nucleare, invece, sono reazioni quasi istantanee, disponibili subito.

L’abilità dell’uomo sta nel costruire mezzi e strutture per captare e conservare le

energie raccolte.

Caratteristiche dell’Idrogeno.

L’idrogeno, il cui nome significa “generatore di acqua”, rappresenta l’elemento più

abbondante dell’universo. Nel sole, ad esempio, è presente per circa il 90% e, con

l’ossigeno ed il silicio, è uno degli elementi più diffusi della crosta terrestre.

Particolarmente abbondante è allo stato combinato con carbonio, ossigeno e alcuni

altri elementi ed è uno dei principali costituenti del mondo vegetale e animale.

L’idrogeno è a temperatura ambiente un gas incolore, inodore e praticamente

insolubile in acqua.

Dopo l’elio è il gas più difficile a liquefarsi. Generalmente poco attivo al freddo,

l’idrogeno dà luogo a caldo o, in presenza di catalizzatori, a numerose reazioni

chimiche. La combinazione con ossigeno, per dare acqua, avviene spesso con

esplosione a temperatura elevata o con un catalizzatore ed elettrizzatore.

L’idrogeno ha il più alto contenuto di energia per unità di massa di tutti gli altri

combustibili (potere calorico superiore).



Proprietà dell’idrogeno (H2). Il potere calorico superiore è il calore sviluppato dalla

combustione di idrogeno tenendo anche conto del calore di condensazione del

vapore acqueo (1 kWh = 3.6 MJ).

Principali proprietà fisiche dell'idrogeno molecolare.

Massa molecolare 2.01588 g/mole Punto di fusione -259 °C (1,013 bar) Punto di ebollizione -253 °C (1,013 bar) Temperatura critica -239,9 °C (12,98 bar) Densità (come gas in condizioni standard) 0.0838 Kg/m3

Densità (come liquido a 253 °C) 70 Kg/m3

Potere calorico superiore 141.8 KJ/g Potere calorico inferiore 119.9 KJ/g

Poteri calorici di alcuni combustibili comuni.

Combustibile Potere calorico superiore

Potere calorico inferiore

Idrogeno 141.8 KJ/g 119.9 KJ/g Benzina 47.5 KJ/g 44.5KJ/g Gasolio 47.5KJ/g 42.5 KJ/g Metano 55.5 KJ/g 50.0 KJ/g

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Come si può osservare, il potere calorico dell’idrogeno è di gran lunga il più elevato,

il che vuol dire che a parità di massa l’idrogeno sviluppa una quantità di calore e,

quindi, di energia proporzionalmente superiore. A titolo di esempio, 1 kg d’idrogeno

contiene la stessa quantità di energia di 2.1 kg di gas naturale o di 2,8 kg di benzina.

Produzione dell’Idrogeno.

Tutti abbiamo un’idea di cos’è l’energia, tralasciando Albert Einstein per questo

frangente di lavoro, in parole molto semplici, l’energia è il momento che da il moto

agli oggetti, alla materia che ci circonda, moto che permette di modificare il Ns.

orizzonte.

L’energia viene generata da due sorgenti fondamentali presenti sulla terra.

- la prima certamente è l’energia Solare, con tutte le sue sottofunzioni, dall’acqua

calda, alla movimentazione delle stagioni, alla maturazione degli elementi e al

fotovoltaico;

- la seconda è l’energia nucleare, che agisce e reagisce direttamente sul nucleo della

materia, rendendola radioattiva, al punto tale che necessita un contenimento della

radiazione con effetto di surriscaldamento del nucleo; per il mantenimento della

temperatura utile serve un raffreddamento che produce il vapore, che aziona delle

turbine per la rotazione dei generatori elettrici.

In ambedue i casi l’energia per essere sempre disponibile, si serve di accumuli,

attraverso i materiali che generano le radiazioni atomiche (Uranio/Torio ecc.) e

accumuli chimici e/o termici.



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In tutte queste trasformazioni l’Idrogeno rappresenta il vettore ideale, di maggior

versatilità energetica; l’Idrogeno è anche l’elemento presente sulla terra in quantità

elevata, vedi ad esempio l’acqua H2O, il metano CH4, idrocarburi e altri ancora,

quindi il suo costo, elevato, a dir di molti è scinderlo a livello atomico, per

riutilizzarlo come vettore energetico sia come carburante, che nella riconversione

elettrica attraverso le celle a combustibile.

L'idrogeno non può essere propriamente definito una fonte d'energia: la sua

produzione deriva dall'elaborazione di altre sorgenti energetiche, per cui esso viene

più frequentemente definito come vettore d'energia. Nonostante i molteplici vantaggi

che l'idrogeno presenta tutte le tecnologie sono ancora da sviluppare e perfezionare e

notevoli sono gli ostacoli da superare, affinché un sistema energetico sostenibile

possa essere creato grazie a questo elemento chimico. L'idrogeno è un gas industriale di primaria importanza. Fu per lungo tempo utilizzato

per il gonfiamento degli aerostati, ma a causa della sua infiammabilità, che provocò

gravissimi incidenti (Akron, Hindenburg, ecc.), è stato sostituito dall'elio,

leggermente più pesante ma non infiammabile. L'idrogeno è usato come materia

prima in un gran numero di operazioni chimiche: la più importante è la sintesi

dell'ammoniaca, ma vanno anche ricordate l'idrogenazione degli oli di pesce e delle

nafte, la fabbricazione del metanolo e dei carburanti sintetici. Attualmente, l'unico

impiego dell'idrogeno come combustibile, avviene nei programmi spaziali della

NASA.

Idrogeno ed ossigeno liquidi, vengono combinati per ottenere il combustibile

necessario per lo Space Shuttle ed altri razzi. Le celle a combustibile a bordo, inoltre,

sempre combinando idrogeno ed ossigeno, producono gran parte dell'energia elettrica

richiesta e dell’acqua. Oggetto delle più recenti ricerche, è l'impiego dell'idrogeno

nelle celle a combustibile.



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L'idrogeno gassoso non presenta problemi particolari per la sua combustione, peraltro

occorrono volumi di idrogeno tre volte maggiori rispetto al gas naturale per produrre

la stessa quantità di calore.

Sono, inoltre, necessarie modifiche per adattare i bruciatori a fiamma aperta poiché le

velocità dei flussi sono sensibilmente più elevate. Nella combustione dell'idrogeno in

aria con fiamma libera, gli unici prodotti inquinanti che vengono immessi

nell'ambiente sono gli ossidi di azoto (NOx) che possono formarsi ad alta temperatura

in aria durante le combustione. Sono invece completamente assenti tutti gli altri

prodotti inquinanti emessi dalla combustione dei fossili, dagli ossidi di zolfo a quelli

di carbonio, alle polveri, agli idrocarburi incombusti.

Le principali caratteristiche della combustione dell'idrogeno sono:

- La combustione avviene con fiamma non luminosa

- A rapporto stechiometrico di miscela, la temperatura della fiamma idrogeno/aria è

più elevata di quella della fiamma metano/aria

- La velocità di fiamma dell'idrogeno è molto elevata, circa 10 volte quella del

metano

- I limiti di infiammabilità del rapporto della miscela metano/aria sono compresi fra

5 e 15, mentre per quella idrogeno/aria i limiti variano tra 4 e 75.

- L'energia da fornire per l'accensione dell'idrogeno in aria è nettamente inferiore a

quella occorrente per il metano: 0,02 mJ rispetto a 0,3 mJ per il metano.

Quest'ultima caratteristica favorisce la combustione catalitica dell'idrogeno, che è

invece difficile da innescare con il gas naturale.



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E' quindi possibile realizzare un riscaldamento senza fiamma, mantenendo il letto

catalitico a temperatura molto bassa, ad esempio a 100°C; a tale temperatura non si

formano ossidi di azoto, con ciò eliminando l'unico eventuale inquinamento dovuto

alla combustione dell'idrogeno. Ricerche sperimentali su bruciatori catalitici per

idrogeno sono state condotto presso l'Institute of Gas Technology di Chicago

ricavando rendimenti di combustione a fiamma (85% in luogo di 70%).

Il primo scienziato a scindere la molecola d'acqua per produrre idrogeno fu Sir

William Grove nel 1839 riuscì a scindere la molecola dell'acqua in idrogeno e

ossigeno e inventò le fuel cell nello stesso anno: infatti combinò tre fuel cell in serie e

le collegò a due elettrodi in una soluzione acida, che operarono la suddetta scissione.

Idrogeno e Ossigeno sono infiammabili, l'acqua non è un combustibile.

L'idrogeno e l'ossigeno miscelati in particolari condizioni operative bruciano

formando acqua come prodotto di combustione. L'acqua è invece un composto molto

stabile, quindi scarsamente reattivo e con caratteristiche molto diverse dagli elementi

che lo compongono.

Il principale vantaggio costituito dalla combustione dell'idrogeno è che come unico

prodotto della combustione da vapore acqueo, con evidenti ricadute sull'impatto

ambientale. Inoltre il suo utilizzo potrebbe ritardare l'esaurimento delle scorte di

combustibili fossili, in quanto l'energia necessaria per produrlo può provenire dalle

fonti più disparate; può quindi essere prodotto in qualunque paese purché disponga

delle tecnologia adeguata, a differenza del petrolio che si trova solo in pochi paesi del

mondo.

L’idrogeno può, ad esempio, essere prodotto, su larga scala e casti bassissimi,

attraverso il fotovoltaico.



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I rifiuti solidi urbani (RSU)? una ricchezza.

Come tutti gli accumuli anche il rifiuto solido urbano rappresenta un accumulo

energetico e come tale deve essere trattato. La sua estrazione avviene principalmente

per la differenziazione dei prodotti in esso contenuti e dai singoli trattamenti riservati.

Una buona parte dei prodotti selezionati viene riciclata, come carta, vetro e ferro, e

quello che non è scindibile viene trasformato in energia combustibile o chimica.

Per noi, l’effetto di una buona raccolta differenziata e del trattamento dei prodotti, è

la produzione di idrogeno, attraverso pirolisi (processo di decomposizione

termochimica di materiali organici), in una filiera auto alimentata da sistemi indotti e

la produzione di etanolo, ricco di idrogeno.

http://it.wikipedia.org/wiki/Decomposizione_%28biologia%29

http://it.wikipedia.org/wiki/Termochimica

http://it.wikipedia.org/wiki/Composto_organico



(Andrea Masullo)

24



25

Ai fini di una loro valorizzazione energetica, le caratteristiche fisico-chimiche dei

rifiuti urbani richiedono dispositivi e processi di conversione ad hoc, sia per problemi

tecnologici (elevato tenore di umidità e inerti, corrosione, eterogeneità) sia per

problemi ambientali. Da un punto di vista concettuale il recupero di energia da rifiuti

urbani residui (ovvero a valle delle iniziative di raccolta differenziata) può seguire

due filosofie:

a) combustione diretta, con trasferimento dell’energia termica attraverso i tubi di un

generatore di vapore; il combustibile può essere rifiuto urbano residuo oppure CDR

(combustibile derivato dai rifiuti, ottenuto mediante una serie di processi meccanici

ed eventualmente biologici);

b) conversione in un combustibile intermedio mediante pirolisi o gassificazione;

dopo opportuna depurazione il combustibile intermedio è destinato all’impiego in

caldaie, motori alternativi, turbine a gas; rientra in questa classe anche la produzione

di biogas da discarica o da reattori anaerobici per frazione organica biodegradabile da

raccolta differenziata.

Per quanto riguarda la combustione diretta, si segnala come l’incremento del potere

calorifico dei rifiuti urbani abbia portato allo sviluppo di griglie raffreddate ad acqua.

La griglia raffreddata ad aria resta comunque la soluzione ad oggi più diffusa. A

disposizione di chi vuole seguire la strada della combustione diretta c’è anche il

sistema a letto fluido. In questo caso, se previsto per termovalorizzare i rifiuti urbani

di un determinato bacino, è necessario prevedere un pretrattamento che oggi può

essere scelto a flusso unico o separato.

Quest’ultima soluzione è la classica separazione del rifiuto, mediante vagliatura, in

un sovvallo da destinare a combustione dopo una serie di trattamenti ed in un

sottovaglio da trasformare in frazione organica stabilizzata. Oggi è possibile anche

installare sistemi di presso-estrusione al posto della vagliatura convenzionale.



26

La soluzione a flusso unico si basa sul processo di bioessiccazione, con il quale si

punta ad ottenere la massima rimozione di umidità consumando la minima quantità

possibile di solidi volatili. Tanto i sistemi a flusso unico, quanto quelli a flusso

separato, se orientati a produrre CDR comportano la generazione di un flusso di

materiali di scarto le cui caratteristiche devono essere valutate alla luce di quelle che

sono le indicazioni della nuova normativa che regola lo smaltimento in discarica.

L’approccio convenzionale può avere legami con il settore dell’idrogeno? Una

possibilità al riguardo è offerta dal processo UT3 che permette di sfruttare parte del

calore dei fumi di un impianto di combustione per produrre idrogeno.

Per quanto riguarda la generazione di un combustibile intermedio, si segnala come la

raccolta differenziata della frazione umida dei rifiuti urbani ed i pretrattamenti ora

obbligatori per i rifiuti urbani residui destinati a discarica stiano spostando la

generazione di biogas dalle discariche ai bio-reattori di digestione anaerobica. Anche

in quest’ultimo caso è di recente introduzione l’approccio a flusso separato che si

affianca al tradizionale flusso unico. Il flusso separato prevede di estrarre e trattare a

parte la frazione liquida, ricca di sostanze rapidamente biodegradabili.

La conversione in un combustibile intermedio può essere effettuata mediante pirolisi

o gassificazione. L’interesse per questa opzione è soprattutto legato alla disponibilità

di rifiuti speciali a composizione nota e costante che permetterebbero di semplificare

la gestione del processo (ad esempio biomasse legnose di scarto, pneumatici usati).

E’ noto inoltre come l’opzione che prevede la generazione di un combustibile

intermedio sia interessante per i suoi legami con il settore dell’idrogeno. Per

approfondire le peculiarità del settore dei rifiuti speciali in relazione alle innovazioni

dei sistemi di trattamento termico il Dipartimento di Ingegneria Civile e Ambientale

ha organizzato un Workshop il 15 Dicembre 2004.

Marco Ragazzi, Università degli studi di Trento

Dip. di ingegneria civile e ambientale



Idrogeno da Elettrolisi (estratto da relazione del Prof. Dr. Arturo Romer)

L'elettrolisi dell'acqua è un processo elettrolitico nel quale il passaggio di corrente

elettrica causa la decomposizione dell'acqua in ossigeno ed idrogeno gassosi.

2H2O → 2H2 + O2

Si formerà quindi un volume di idrogeno doppio del volume di ossigeno.

Per elettrolisi, come già anticipato, si intende molto brevemente, la scissione

dell’acqua (H2O) nelle sue componenti idrogeno (H2) e ossigeno (O2) tramite energia

elettrica. La scissione (rendimento = 70%) di un litro d’acqua richiede circa 6.3kWhel

di energia elettrica. Il contenuto energetico dell’idrogeno così prodotto

(circa 1.36 m3) corrisponde approssimativamente a 4.41 kWh di energia chimica.

Volendo nuovamente ricavare energia elettrica da 1.36 m3 di idrogeno con

l’impiego di un ciclo combinato (turbina a gas e turbina a vapore) oppure di

una cella a combustibile si otterrebbero circa 2.2 kWhel di energia elettrica, come

riportato nella figura sottostante.

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http://it.wikipedia.org/wiki/Elettrolisi

http://it.wikipedia.org/wiki/Corrente_elettrica

http://it.wikipedia.org/wiki/Corrente_elettrica

http://it.wikipedia.org/wiki/Acqua

http://it.wikipedia.org/wiki/Ossigeno

http://it.wikipedia.org/wiki/Idrogeno

http://it.wikipedia.org/wiki/Gas



I numeri appena riportati potrebbero far apparire molto discutibile e poco

conveniente la tecnologia dell’elettrolisi per la produzione di idrogeno. In realtà, il

procedimento sopra descritto, può essere interessante a determinate condizioni.

Si pensi all’utilizzazione di energia idroelettrica in estate (basso costo, abbondanza) o

del fotovoltaico e allo sfruttamento dell’idrogeno immagazzinato in inverno. In

questo caso, l’analisi potrebbe risultare più favorevole sia dal punto di vista

economico che da quello ecologico.

Attualmente le principali tecnologie di produzione dell’idrogeno sono:

Tuttavia il costo per la produzione di idrogeno dall’elettrolisi (senza l’impiego del

fotovoltaico) resta il più alto rispetto a qualsiasi altra tecnologia e pertanto

attualmente solo il 4% della produzione mondiale di idrogeno avviene mediante

questa tecnica.

Impiego dell’idrogeno nelle celle a combustione

In generale, nelle reazioni di combustione si assiste ad un processo chimico rapido

nel quale avviene l’ossidazione tramite un reagente (il comburente, l’ossigeno) di una

sostanza detta combustibile. L’energia rilasciata dalle reazioni chimiche di

ossidazione è resa disponibile in forma di calore.

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Il modo più comune per ottenere lavoro da un combustibile è proprio quello di

trasformare l’energia chimica in energia termica, tramite un normale processo

di combustione, e successivamente di convertire l’energia termica in lavoro

utilizzando delle macchine.

All’interno delle così dette celle a combustibile (in inglese Fuel Cell, FC) la

trasformazione di energia chimica in energia elettrica avviene invece direttamente, in

modo simile a quanto accade nelle comuni batterie.

Contrariamente a quanto accade nelle macchine convenzionali per la produzione di

energia elettrica da combustibili, le FC si basano su delle reazioni elettrochimiche.

Questo tipo di reazioni non coinvolge il calore come forma intermedia di energia,

come accade invece nella conversione energia chimica-calore-lavoro caratteristica

delle reazioni classiche di combustione. In una tipica cella a combustibile, il

combustibile gassoso (ad es. H2) è fornito all'anodo (dove avviene l’ossidazione del

combustibile e la produzione di elettroni), mentre il comburente (aria oppure

ossigeno) viene fornito al catodo (dove avviene la riduzione dell’ossigeno con gli

elettroni provenienti dal circuito esterno collegato con l’anodo). La reazione chimica

avviene dunque mediante scambio di ioni attraverso l’elettrolita.

Chiudendo il circuito tra gli elettrodi, viene direttamente prodotta la corrente elettrica.

29



30

CONCLUSIONI Quanto qui viene raccolto è una sintesi di dati tecnici utili al fine di sviluppare

processi energetici vantaggiosi per la Nostra attuale Società, posti a servizio di un

obiettivo finale che serve a dimostrare quanto sia importante avere un quadro chiaro

su cosa gira attorno all’aggettivo “energia”.

Uno degli elementi che contraddistingue questo studio da molti altri, sono le varie

sintesi per valutare le soluzioni possibili, su tecniche conosciute e no, mirate ad

ottenere il risultato preposto, cioè energia elettrica finale a basso costo e non

inquinante.

Il lavoro attuale è trasferire dati a campione su un impianto a campione, ciò per

rendere pratico quanto sopra unitamente raccolto.

Le fonti utilizzate sopra, si possono rivedere più ampiamente dagli originali tratti da

Internet, riviste e studi universitari.

La nostra ipotesi di progettazione si basa sulla realizzazione di un impianto

fotovoltaico completo di accumulo ad idrogeno e la riconversione elettrica da

idrogeno nei momenti di scarso soleggiamento.

L’impianto campione avrà come alternativa una finestra sulla produzione di idrogeno

da rifiuti solidi urbani e da biogas, altre forme di produzione come il nucleare e

l’eolico le lasciamo ad uno studio più specifico.



REALIZZAZIONI Tecnologia fotovoltaica

La tecnologia fotovoltaica, quale sorgente di energia elettrica, a costi di produzione

molto contenuti, non comporta spese aggiuntive se no il costo iniziale degli impianti

stessi, inoltre l’estensione del campo fotovoltaico può essere fatta su tetti e terrazzi,

generalmente spazi non calpestabili.

Il Campo Fotovoltaico (a campione) genera corrente elettrica continua, tipo quella

delle comuni batterie d’auto che utilizziamo tutti i giorni, con valori e prestazioni

proporzionali alle caratteristiche fisiche dell’impianto.

Esempio di cooperazione Fotovoltaico-Idrogeno

Una delle esperienze Nazionali, di questi ultimi tempi, è l’impianto fatto ad Arezzo

dalla FDS, inaugurato in Aprile di quest’anno. La FDS ha coordinato una

cooperatività di 4 Aziende per lo sfruttamento dell’idrogeno prodotto, dando loro

energia elettrica e di combustione.

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L’esperienza fatta ad Arezzo dimostra quanto sia valido un sistema di produzione di

Idrogeno assistito da un generatore fotovoltaico, il cui costo di energia elettrica è

nullo.

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Impianto Tipo

TERMOVALORIZZATORE e BIOGAS

CAMPO FOTOVOLTAICO

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H2O

+

GASSIFICATORE

STOCCAGGIO IDROGENO e OSSIGENO

FUEL-CELL

INVENTER TRIFASE 380/220V

AC



Dimensionamento di un impianto ipotizzato.

Sorgente fotovoltaica in grado di fornire nominalmente 90 kWp. Costo a kWp: € 4’800,00 Costo dell’impianto: 90 x 4800 = € 432'000,00 Luogo di installazione: Provincia di Verona

Produzione/anno dell’impianto fotovoltaico 124’530 kWh/anno

Quantità d’acqua necessaria per la produzione di idrogeno (6.299 kWh/litro H2O) 19’770 Litri/anno

Elettrolisi Produzione di Idrogeno (η = 70% - 1.358 m3/litro di H2O)

26’845 pari a 2’250

m3/anno kg/anno

Produzione di Ossigeno (η = 70% - 0.679 m3/litro di H2O) 13’420 m3/anno

Fuel-Cell Produzione di Energia Elettrica da Idrogeno (η = 45% - 2 kWh/litro di H2O) 39’540 kWhelettrici

N.B.: la produzione di idrogeno deriva dall’impiego totale dell’energia prodotta, nell’arco

dell’anno, dall’impianto fotovoltaico.

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Stoccaggio dell’idrogeno

Dai calcoli precedentemente effettuati si è ottenuto quanto segue:

Produzione di Idrogeno (η = 70% - 1.358m3/litro di H2O)

26’845 pari a 2’250

m3/anno kg/anno

Stoccaggio

PEM: Batterie a combustibile a elettrolita polimerico.

La tabella ci mostra che le tecnologie di immagazzinamento che usano gas compressi

o idruri metallici sono di molto inferiori, in termini di densità di energia

immagazzinata, alla benzina o, in generale, dai carburanti liquidi basati su

idrocarburi.

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Fa eccezione l’idrogeno liquido e questo non stupisce se teniamo conto che è il

carburante dello Space Shuttle è usato per molte altre applicazioni di tipo spaziale o

militare.

Ma l’idrogeno liquido non è pratico come carburante da usare per veicoli civili.

Si tratta di un liquido criogenico infiammabile che deve essere tenuto a temperature

minori di 250 gradi sotto zero, il che implica alti costi, precauzioni particolari e

problemi di sicurezza non facilmente risolvibili.

Oltretutto, l’idrogeno liquido evapora piano piano e lascia il serbatoio vuoto dopo

alcuni giorni. E’ difficile pensare che, oggi, molta gente comprerebbe una macchina

che consuma carburante anche quando sta ferma.

Ha i punti di ebollizione e di fusione più bassi di ogni altra sostanza, fatta eccezione

per l'elio: solidifica a -259,2 °C e liquefa a -252,77 °C. Alla temperatura di 0 °C e alla

pressione di 1 atmosfera, si presenta allo stato gassoso con densità di 0,089 g/litro.

Il peso atomico è di 1,007 u.a.

Si combina facilmente con l'ossigeno formando acqua. La reazione avviene

lentamente a bassa temperatura ma con andamento esplosivo sopra i 550 °C. Il limite

di infiammabilità è molto ampio, essendo compreso fra il 4 e il 75 % in volume;

analogamente il limite di detonabilità è compreso fra il 18,5 e il 59 % in volume.

L’idrogeno ha un contenuto di energia per unità di massa più alto di ogni altro

combustibile corrente, ovvero possiede il più alto potere calorico superiore.

Ci scusiamo per aver involontariamente non citato tutti gli autori dei vari

capitoli introdotti nella presente relazione, molti sono ripetuti in molti link del

web, tanto da rendere impossibile risalire all’autore.

idrogeno accumulo di energia. - home page - acm project ... · idrogeno da elettrolisi ... tra le...

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