idrogeno energia per il futuro

UNIVERSITA’ DI ROMA “TOR VERGATA”

FACOLTA’ DI INGEGNERIA

Corso: CHIMICA PER L’ENERGIA – Laurea: INGEGNERIA PER L’AMBIENTE E IL TERRITORIO – A.A. : 2003/2004 Pag. 1

IDROGENO IDROGENO ENERGIA PER IL FUTUROENERGIA PER IL FUTURO

UNIVERSITÀ DI ROMA “TOR VERGATA”FACOLTÀ DI INGEGNERIA

Corso di:CHIMICA PER L’ENERGIA

Docente: prof. PaolesseStudente:




UTILIZZO ATTUALE RISORSEUTILIZZO ATTUALE RISORSEo Fonti NON Rinnovabili (Fonti NON Rinnovabili (combustibili fossili combustibili fossili ):):

Petrolio 40 %Petrolio 40 % Carbone 30 %Carbone 30 % Gas Naturale 20 %Gas Naturale 20 %

o Fonti Rinnovabili :Fonti Rinnovabili : Energia EolicaEnergia Eolica Energia IdroelettricaEnergia Idroelettrica Energia NucleareEnergia Nucleare Energia GeotermicaEnergia Geotermica BiomassaBiomassa IdrogenoIdrogeno SolareSolare

Fonti NON rinnovabiliFonti NON rinnovabili

90 %90 % Fonti NON rinnovabiliFonti NON rinnovabili

90 %90 %

Fonti rinnovabiliFonti rinnovabili

10 %10 %Fonti rinnovabiliFonti rinnovabili

10 %10 %




PROBLEMI CONNESSI PROBLEMI CONNESSI ALL’ USO DI COMBUSTIBILI FOSSILIALL’ USO DI COMBUSTIBILI FOSSILI

o Esaurimento dei giacimentiEsaurimento dei giacimentio Immissione inquinanti primariImmissione inquinanti primari

COCO22

NONOxx

SOSOxx

HC incombustiHC incombusti COCO Particolato fineParticolato fine

o Inquinanti SecondariInquinanti Secondari Smog fotochimicoSmog fotochimico




COCO22

o Principale inquinante della combustionePrincipale inquinante della combustioneo Gas SerraGas Serra




CICLO NATURALE DELLA COCICLO NATURALE DELLA CO22

o Eruzioni vulcanicheEruzioni vulcanicheo Incendi boschiviIncendi boschivio Respirazione animaleRespirazione animale

o FotosintesiFotosintesio OceaniOceani

280 ppm280 ppm280 ppm280 ppm




EMISSIONI ANTROPICHEEMISSIONI ANTROPICHEdall’inizio dell’era industrialedall’inizio dell’era industriale

VALORI VALORI ATTUALIATTUALI 370370 ppm (+ 30%)ppm (+ 30%)VALORI VALORI ATTUALIATTUALI 370370 ppm (+ 30%)ppm (+ 30%)




IPCCIPCCIntergovernmental Panel on Climate ChangeIntergovernmental Panel on Climate Change

550 ppm

2080




EFFETTI INCREMENTOEFFETTI INCREMENTOCOCO22 ATMOSFERICA ATMOSFERICA

o Incerti : mancanza di modelli matematiciIncerti : mancanza di modelli matematicio Presumibile causa del Presumibile causa del ““Global WarmingGlobal Warming””

ΔΔT=T=0,6 °C 0,6 °C dal 1861 ad oggidal 1861 ad oggi

T media in crescitaT media in crescita




CORSA AI RIPARICORSA AI RIPARIo Maggiore attenzione per l’ambienteMaggiore attenzione per l’ambienteo Nascita concetto “Nascita concetto “Sviluppo Sviluppo

SostenibileSostenibile”” “ “Lo sviluppo è sostenibile se soddisfa i bisogni delle Lo sviluppo è sostenibile se soddisfa i bisogni delle generazioni presenti senza compromettere la possibilità per le generazioni presenti senza compromettere la possibilità per le

generazioni future di soddisfare i propri bisogni” generazioni future di soddisfare i propri bisogni”

rapporto Burtland 1987rapporto Burtland 1987

o Protocollo di KyotoProtocollo di Kyoto (1997) (1997) Impegno dei paesi industrializzati a ridurre le emissioni di Impegno dei paesi industrializzati a ridurre le emissioni di GHG GHG

(GreenHouse Gas: CO(GreenHouse Gas: CO22,CH,CH44,N,N220,HFC,SF0,HFC,SF66…..)…..)




3 VIE PER RIDURRE 3 VIE PER RIDURRE EMISSIONIEMISSIONI

o Migliorare l’efficienza degli impianti attualiMigliorare l’efficienza degli impianti attuali buona soluzione a breve terminebuona soluzione a breve termine

o Separazione e allontanamento della COSeparazione e allontanamento della CO22

decarbonatazionedecarbonatazione via diretta (potenziando le capacità ecosistema : via diretta (potenziando le capacità ecosistema :

rimboschimento)rimboschimento) via indiretta (stoccaggio in appositi siti : oceani,cave via indiretta (stoccaggio in appositi siti : oceani,cave

sotterranee..)sotterranee..)

o Uso di combustibili alternativi Uso di combustibili alternativi a basso tenore di C (a basso tenore di C (gas naturalegas naturale))

inevitabili emissioni COinevitabili emissioni CO22

meno inquinante di altri combustibili fossili (COmeno inquinante di altri combustibili fossili (CO22 ; PM ; SO ; PM ; SOxx ; CO …) ; CO …) esauribileesauribile

fonti rinnovabili fonti rinnovabili




FONTI RINNOVABILIFONTI RINNOVABILI

o IdroelettricaIdroelettricao EolicaEolicao GeotermicaGeotermicao NucleareNucleareo BiomassaBiomassao SolareSolareo IdrogenoIdrogeno

o Sviluppo ostacolato Sviluppo ostacolato da:da: Intermittenza della disponibilitàIntermittenza della disponibilità Costi elevati Costi elevati Bassa densità di energia Bassa densità di energia

ANCORA NON COMPETITIVE CON I ANCORA NON COMPETITIVE CON I COMBUSTIBILI FOSSILICOMBUSTIBILI FOSSILI




IDROGENOIDROGENOo Gas Gas (temperatura ambiente)(temperatura ambiente) incolore , insapore , inodore incolore , insapore , inodoreo Hydor + geno = generatore di acquaHydor + geno = generatore di acquao Scoperto da Cavendish Scoperto da Cavendish 17661766o Chiamato idrogeno da LavoisierChiamato idrogeno da Lavoisiero Elemento più semplice Elemento più semplice o Elemento più leggeroElemento più leggeroo Elemento più abbondante dell’UniversoElemento più abbondante dell’Universoo Si trova quasi sempre combinato in molti Si trova quasi sempre combinato in molti

composti (composti (HH220,HC0,HC,acidi) e libero in ridottissime ,acidi) e libero in ridottissime quantità nell’atmosfera quantità nell’atmosfera

o Punto di ebollizione/liquefazione Punto di ebollizione/liquefazione -253 °C-253 °Co Punto di fusione/solidificazione Punto di fusione/solidificazione -259 °C-259 °C




Vantaggi & Vantaggi & SvantaggiSvantaggi

o Praticamente inesauribilePraticamente inesauribile o Zero emissioniZero emissioni (H(H22O,NOO,NOxx))

o Può essere prodotto da Può essere prodotto da molte fonti molte fonti (rinnovabili e non)(rinnovabili e non)

o Alta energia specificaAlta energia specifica (J/kg)(J/kg) Circa 2,5 volte più del CHCirca 2,5 volte più del CH44

o Bassa densità energeticaBassa densità energetica (J/l)(J/l) Circa 3,2 volte minore del CHCirca 3,2 volte minore del CH44

o InfiammabileInfiammabileo EsplosivoEsplosivoo Molto reattivoMolto reattivoo Estremamente volatileEstremamente volatile

1 Kg CH1 Kg CH44 = 1478 l = 1478 l 1 Kg H1 Kg H22 = 11837 l ( 8 = 11837 l ( 8 volte volte CHCH44 )) T=15°C , p=1 atmT=15°C , p=1 atm




BASSA DENSITA’ BASSA DENSITA’ ENERGETICAENERGETICA

CH4

H2

o La stessa quantità di energia La stessa quantità di energia prodotta da V litri di CHprodotta da V litri di CH44 richiede circa richiede circa 3V3V litri di H litri di H22 nelle nelle stesse condizioni di T e pstesse condizioni di T e p




USI …USI …

o Per la Per la sintesisintesi di molte specie di molte specie NHNH33,CH,CH33OHOH,fabbricazione ,fabbricazione carburanti sintetici (processo carburanti sintetici (processo Fischer – Tropsh (1932))Fischer – Tropsh (1932))




USI … USI … passati

o Per la Per la sintesisintesi di molte specie di molte specie NHNH33,CH,CH33OHOH,fabbricazione ,fabbricazione carburanti sintetici (processo carburanti sintetici (processo Fischer – Tropsh (1932))Fischer – Tropsh (1932))

o Usato per gonfiare gli Usato per gonfiare gli aerostatiaerostati. . Tragedia dell’ Tragedia dell’ Hindenburg Hindenburg (1937) fu (1937) fu sostituito da sostituito da HeHe più pesante più pesante ma non infiammabile.ma non infiammabile.




USI … USI … presenti

o Per la Per la sintesisintesi di molte di molte specie specie NHNH33,CH,CH33OHOH,fabbricazione ,fabbricazione carburanti sintetici carburanti sintetici (processo Fischer – Tropsh (processo Fischer – Tropsh (1932))(1932))

o Usato per gonfiare gli Usato per gonfiare gli aerostatiaerostati. . Tragedia dell’ Tragedia dell’ HindenburgHindenburg (1937) fu (1937) fu sostituito da sostituito da HeHe più più pesante ma non pesante ma non infiammabile.infiammabile.

o Unico impiego attuale Unico impiego attuale come combustibile nelle come combustibile nelle missioni spazialimissioni spaziali NASA NASA




USI …USI …futuri

o Per la Per la sintesisintesi di molte specie di molte specie NHNH33,CH,CH33OHOH,fabbricazione ,fabbricazione carburanti sintetici (processo carburanti sintetici (processo Fischer – Tropsh (1932)) Fischer – Tropsh (1932))

o Usato per gonfiare gli Usato per gonfiare gli aerostatiaerostati. . Tragedia dell’ Tragedia dell’ HindenburgHindenburg (1937) fu (1937) fu sostituito da sostituito da HeHe più pesante più pesante ma non infiammabile.ma non infiammabile.

o Unico impiego attuale come Unico impiego attuale come combustibile nelle combustibile nelle missioni missioni spazialispaziali NASA NASA

o Celle a combustibileCelle a combustibile




OSTACOLIOSTACOLI

o ProduzioneProduzioneo DistribuzioneDistribuzioneo StoccaggioStoccaggio




PRODUZIONE ….PRODUZIONE ….

o Reforming idrocarburi 67 %Reforming idrocarburi 67 % Principalmente gas naturalePrincipalmente gas naturale

o Elettrolisi 3 %Elettrolisi 3 %o Gassificazione 30 %Gassificazione 30 %o Altri metodiAltri metodi

Foto conversioneFoto conversione ( (energia solareenergia solare) dell’ ) dell’ HH22O mediante alghe e batteriO mediante alghe e batteri

in fase di studio in fase di studio




REFORMING DI REFORMING DI IDROCARBURIIDROCARBURI

o Combustibili fossiliCombustibili fossilio Posso usare biomassaPosso usare biomassa

BioetanoloBioetanolo BiogasBiogas

o CHCH33OH OH (specie per auto)(specie per auto)

o Si produce COSi produce CO22

o Non convieneNon conviene Sia economicamenteSia economicamente Sia energeticamenteSia energeticamente Sia per l’inquinamentoSia per l’inquinamento

STEAM REFORMINGSTEAM REFORMING 1) CH1) CH4 4 + H+ H22O -> CO + 3HO -> CO + 3H22 (T=800°C, Ni) (T=800°C, Ni) 2) CO + H2) CO + H220 -> CO0 -> CO2 2 + H+ H2 (su catalizzatore)2 (su catalizzatore)

1+2) 1+2) CHCH4 4 + 2H+ 2H220 -> CO0 -> CO2 2 + 4H+ 4H22

Energia di 4 moli di HEnergia di 4 moli di H22 < Energia di 1 mole di < Energia di 1 mole di CHCH44

Energia di 4 moli di HEnergia di 4 moli di H22 < Energia di 1 mole di < Energia di 1 mole di CHCH44




GASSIFICAZIONE DEL GASSIFICAZIONE DEL CARBONECARBONE

o Posso usare biomassaPosso usare biomassa Pirolisi e successiva Pirolisi e successiva

gassificazione della gassificazione della frazione solida (frazione solida (charchar))

o Produce COProduce CO22

1)1) C + HC + H22O -> CO + HO -> CO + H22 (T=1000°C, (T=1000°C, Ni)Ni) 2) CO + H2) CO + H220 -> CO0 -> CO22 + H + H2 (su catalizzatore)2 (su catalizzatore)

1+2) 1+2) C + 2HC + 2H220 -> CO0 -> CO22 + 2H + 2H22




DISSOCIAZIONE DELL’ HDISSOCIAZIONE DELL’ H22OO

o Produce HProduce H22 puropuroo Zero emissioniZero emissionio Posso usare Posso usare

energie alternativeenergie alternative SolareSolare BiomassaBiomassa NucleareNucleare IdroelettricaIdroelettrica EolicaEolica

o CostosaCostosa 4-5 kWh per 1m4-5 kWh per 1m³ di H³ di H22

o Per applicazioni Per applicazioni speciali o di laboratoriospeciali o di laboratorio

o Dissociazione elettroliticaDissociazione elettroliticao Dissociazione termica (Dissociazione termica (3500 K3500 K))




… … DISTRIBUZIONE …DISTRIBUZIONE …

o Mediante Idrogeno-dottiMediante Idrogeno-dotti:: gassosogassoso liquidoliquido

o Posso usare Posso usare Condotte ad hocCondotte ad hoc Metanodotti adattati (per compensare le diverse Metanodotti adattati (per compensare le diverse

caratteristiche dell’idrogeno rispetto al metano)caratteristiche dell’idrogeno rispetto al metano) 2000 km di rete in USA, Germania,Belgio ed 2000 km di rete in USA, Germania,Belgio ed

InghilterraInghilterra




……. STOCCAGGIO. STOCCAGGIO

o Idrogeno CompressoIdrogeno Compressoo Idrogeno LiquefattoIdrogeno Liquefattoo Idruri MetalliciIdruri Metallicio Nano Tubi di CarbonioNano Tubi di Carbonio




IDROGENO COMPRESSOIDROGENO COMPRESSO

o Metodo più semplice Metodo più semplice (in commercio (in commercio 200-250 200-250 barbar))

o Alte pressioni Alte pressioni per compensare bassa densità per compensare bassa densità energeticaenergetica

o Nuovi materialiNuovi materiali Resistenti ad alte pResistenti ad alte p LeggeriLeggeri

o Problemi di sicurezzaProblemi di sicurezza




IDROGENO LIQUEFATTOIDROGENO LIQUEFATTO

o Portare e mantenere HPortare e mantenere H22 a a -273 °C-273 °Co Necessità di super contenitori isolantiNecessità di super contenitori isolantio Alto tasso di evaporazioneAlto tasso di evaporazioneo PericolosoPericolosoo Molto costosoMolto costoso




IDRURI METALLICIIDRURI METALLICI

o SicuroSicuroo Alta densità Alta densità

energeticaenergetica 3-4 volte H3-4 volte H22 compresso compresso

o PesantiPesantio CostoCostoo Possono essere Possono essere

avvelenatiavvelenati da S,COda S,CO22,H,H22OO

o Ti Ti 3%3% in peso T 60°C in peso T 60°Co Mg Mg 7%7% in peso T 250°C in peso T 250°C

Me + H = MeHMe + H = MeHp

T




NANO TUBI DI CARBONIONANO TUBI DI CARBONIOo Scoperti per caso da Sumuio Iijima Scoperti per caso da Sumuio Iijima 19911991o Affini ai fullereniAffini ai fullereni

SWNTSWNT MWNTMWNT (strutture concentriche di SWNT) (strutture concentriche di SWNT)

o Adsorbono grandi quantità di HAdsorbono grandi quantità di H22 a bassa T e a bassa T e pp Fino al Fino al 60%60% in peso !! in peso !!

o Soluzione idealeSoluzione ideale Alta densità energeticaAlta densità energetica Basso pesoBasso peso

o Ancora da studiareAncora da studiare Risultati contraddittoriRisultati contraddittori SWNT ideale

d

L

54 1010 d

L




FULLERENIFULLERENIo Terza forma allotropica del C Terza forma allotropica del C

((diamantediamante e e grafitegrafite))o Scoperti per caso da Smalley Scoperti per caso da Smalley

19851985o Gabbie sferiche di strutture Gabbie sferiche di strutture

esagonali esagonali e e pentagonalipentagonali di C di Co Dall’architetto Fuller che Dall’architetto Fuller che

realizzava “realizzava “cupole geodesichecupole geodesiche” ” o Primo scoperto Primo scoperto CC6060 ““buckyballbuckyball” ”

forma di un pallone da calcioforma di un pallone da calcioo Si producono artificialmente per Si producono artificialmente per

evaporazione del carboneevaporazione del carbone e si e si trovano molto trovano molto raramenteraramente in in NaturaNatura




USI DELL’ HUSI DELL’ H22

o Produzione ElettricaProduzione Elettrica Impianti Termoelettrici : turbine a gas , a vaporeImpianti Termoelettrici : turbine a gas , a vapore FC FC

o TrasportiTrasporti FCFC ICEICE

o Produzione TermicaProduzione Termica Gas arricchiti con HGas arricchiti con H22 per migliorare la combustione per migliorare la combustione

““Gas di cittàGas di città” usato in passato (ora sostituito dal gas ” usato in passato (ora sostituito dal gas naturale) che si otteneva direttamente dal carbone con naturale) che si otteneva direttamente dal carbone con la “la “reazione del gas d’acqua”reazione del gas d’acqua” : :

CO(CO(50%50%) + H) + H22((50%50%))




GENERATORI ELETTRICIGENERATORI ELETTRICIo Impianti TermoelettriciImpianti Termoelettrici

Miscelato (Miscelato (blendingblending) o da solo) o da solo Meno emissioniMeno emissioni Maggiore efficienzaMaggiore efficienza

o Celle a Combustibile ( Celle a Combustibile ( Fuel Cells Fuel Cells )) Zero emissioni ACUSTICHE E ATMOSFERICHEZero emissioni ACUSTICHE E ATMOSFERICHE Rendimenti elevati (Rendimenti elevati (fino al fino al 6060 %%)) RiutilizzabiliRiutilizzabili Adattabili per diverse applicazioni sia fisse che mobiliAdattabili per diverse applicazioni sia fisse che mobili

Da pochi W a MWDa pochi W a MW Dai PC ai grandi impianti di distribuzione all’auto trasportoDai PC ai grandi impianti di distribuzione all’auto trasporto




AUTO TRAZIONEAUTO TRAZIONEo H per H per ICEICE da solo o miscelato da solo o miscelato

In via di sviluppo In via di sviluppo 1° esemplare : 1° esemplare : BMW 750 hL ( Berlino 2000 , 226km/hBMW 750 hL ( Berlino 2000 , 226km/h ) )

HH22O e minori NOO e minori NOxx o H nelle H nelle FCFC per auto elettriche per auto elettriche

Efficienza FC Efficienza FC 37,7%37,7% Efficienza ICE tradizionali: Efficienza ICE tradizionali:

Benzina : 16-18 %Benzina : 16-18 % Diesel : 22-24 %Diesel : 22-24 %

Zero emissioniZero emissioni Primo autobus d’Europa presentato a Torino : Primo autobus d’Europa presentato a Torino : CityClass Iveco-CityClass Iveco-

IrbusIrbus Prima stazione di rifornimento in Italia a Milano (Prima stazione di rifornimento in Italia a Milano (BicoccaBicocca))

o Come fornire HCome fornire H22 alla FC ?? alla FC ?? Rifornite direttamente da HRifornite direttamente da H22 liquido o gassosoliquido o gassoso Produzione a bordoProduzione a bordo da reforming di HC da reforming di HC




REFORMING DEL CHREFORMING DEL CH33OHOH- - produzione a bordo produzione a bordo --

o 1 - CH1 - CH33OH OH liquidoliquidoo 2 - REFORMER2 - REFORMERo 3 - CH3 - CH33OH+HOH+H22O->CO+3HO->CO+3H22 ((~~280°C, 280°C,

MeMe))

o 4 - CO+H4 - CO+H22->CO->CO22+H+H2 2 (catalizzatori)(catalizzatori)

o 5 - FC+Q5 - FC+Qo 6 - H6 - H22O+OO+O22->H->H22OOo ZERO NOx ZERO NOx o MENO COMENO CO22

1 mole di CH1 mole di CH33OH da 1 mole COOH da 1 mole CO22

1 mole (C1 mole (CnnHHmm) da n moli di CO) da n moli di CO22

H2O

CH3OH

CO2

PEMFC

H2

CO

Q

Aria

CO<20CO<20 ppmppmCO<20CO<20 ppmppm

NN




HH2 2 NECESSARIO PER AUTONECESSARIO PER AUTOo Bastano solo Bastano solo 3 kg3 kg ad una utilitaria per fare ad una utilitaria per fare 500 500

kmkm !! !!o Forma Gassosa :Forma Gassosa :

Serbatoio da Serbatoio da 290290 kgkg per per 700 l700 l ( (p=250 bar p=250 bar ))o Forma Liquida :Forma Liquida :

Serbatoio da Serbatoio da 170 kg170 kg per per 255 l255 l Alto tasso di evaporazioneAlto tasso di evaporazione

o Idruri Metallici :Idruri Metallici : Serbatoio da Serbatoio da 570 kg570 kg per per 230 l230 l

o CHCH33OH :OH : Serbatoio da Serbatoio da 390 kg390 kg per per 280 l280 l Costa il doppio della benzinaCosta il doppio della benzina

o Nano Tubi di Carbonio :Nano Tubi di Carbonio : Serbatoio da Serbatoio da 10 kg10 kg per per 30 l ???30 l ???

o A BENZINA :A BENZINA : V = 72 lV = 72 l w = 71 kgw = 71 kg




CONCLUSIONICONCLUSIONI

o Necessità di attività di Necessità di attività di R&DR&D a livello a livello internazionale al fine di rendere commerciale internazionale al fine di rendere commerciale la produzione e l’utilizzo di Hla produzione e l’utilizzo di H22 per passare da per passare da una economia basata sui combustibili fossili una economia basata sui combustibili fossili ad una basata sull’uso di fonti rinnovabiliad una basata sull’uso di fonti rinnovabili

idrogeno energia per il futuro

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