Le nuove tecnologie energetiche consentono un impiego ottimale delle fonti rinnovabili di energia in linea con la sostenibilità ambientale, ma la maggi or parte di esse risente di problemi che, stante l'attuale tecnologia di ge nerazione centralizzata, non ne permettono l'auspicabile diffusione. Inoltre la scarsa portata delle reti di distribuzione esistenti, insieme alla loro vetustà e alla loro assenza al di fuori delle aree urbanizzate peggiora il quadro generale. In un scenario energetico coerente con gli obietti vi di sviluppo e sostenibilità economica e sociale, la generazione dovrebbe in modo preferenzi ale partire da fonti energetiche rinnovabili, indipendentemente dalla loro natura (eolica, solare, ecc.). La genera zione non centralizzata, con reti di distribuzione delocalizzate rispetto ai centri di consumo (città, si ti industriali, ecc.) e capaci di trasportare anche quantità di energia notevoli (si pensi ai picchi di gener azione in cui concorrono contemporaneamente più tecnologie) introdurrebbe uno scenario che tende ad una generazione di tipo distribuito, pur restando ancora vincolata a centrali comunque piu ttosto potenti e decentrate, in cui la produzione di energia non sa rebbe più correlata al la domanda. Ne consegue che l'accumulo energetico svolge una funzione indispensabile ed irrinunciabile ne ll'accoppiare la produzione e la richiesta di energia prodotta da fonti rinnovabili. La difficoltà ed i costi necessari a coniugare produzione di energia e rispetto ambientale per i combustibili tradizionali (benzina, gasolio e ancor peggio il carbone) non mette solo in forte crisi la produzione di energia elettrica pe r impieghi stazionari ma soprattu tto il settore dei trasporti, che costituisce una parte fondame ntale dell'intera ec onomia mondiale e di cui l'industria automobilistica rappresenta la parte più importante. Pur considerando il motore a combustione interna - ove opportunamente impiegato (trazione ibrida) - ancora un valido candidato, il costo dei combustibili tradizionali rende già oggi vicini alla competitività alcuni combustibili alternativi, specialmente ove si tenga conto dei costi indiretti correlati all'inquinamento prodotto ed attualmente sostenuti per intero dalla società. L'idrogeno prodotto per elettrolis i con l'impiego di energia da f onti rinnovabili è un combustibile alternativo di alto costo ma che tuttavia è sempre più prossimo alla competitività rispetto a quelli tradizionali e ad oggi rappresenta uno dei pochi - se non l'uni co - capace di coni ugare disponibilità, efficienza e sostenibilità ambientale. L'energia impiegata per effettuare l'elettrolisi sarebbe quella prodotta in eccesso rispetto alla richiesta della re te. In tal modo la generazione di idrogeno non offrirebbe solo la possibilità di generare un com bustibile pulito e bio-compatibile (il risultato della sua conversione è vapore d'acqua), ma anche due importanti vantaggi: l'ac cumulo energetico delle fonti rinnovabili e un fattore di bilanciamento della rete, potendo in tervenire sia come sistema di assorbimento di potenza (fase di elettrolisi) sia come sistema di generazione di potenza quando la generazione di energia da RES (Renewable Energy Sources) non è sufficiente a coprire la richiesta energetica. Il tutto, sempre e co munque senza alcun impatto ambi entale dovuto alla generazione. I recenti studi nel campo della LCA (Life Cycle Analysis) mostrano come anche da questo punto di vista le tecnologie corr elate all'idrogeno (fuel cells, ecc.) consentano non solo una conversione efficiente ma persino un abbassamento dell'energia necessaria a produrre i sistemi e la loro completa riciclabilità (spesso persino la loro riut ilizzabilità) grazie anch e alla non dispersione dei metalli nobili impiegati come catalizzatori.. Essi, già presenti nelle marmitte catalitiche dei veicoli, vengono invece dispersi in atmosfera dalle stesse durante l'uso, con notevoli rischi ambientali ed un costo per il loro recupero tanto alto (filtrazione dell'aria e separazione delle polveri) quanto necessario data la scarsa disponibilità e la pericolosità ambientale di questi elementi. Nel settore dei trasporti il problema del peso e volume occupato dai sistemi di accumulo a bordo dell'idrogeno costituisce ad oggi uno dei maggiori fattori limitanti l'impiego di veicoli a fuel cell. L'attuale normativa, che limita la pressione massima a 350 bar, rende l'autonomia dei veicoli inferiore rispetto ad un veicolo convenzionale. La soluzione ottimale richiederebbe pressioni al di sopra di 700 e fino a circa 1000 bar, ottenendo in questo modo recipienti di volume e peso contenuti, essendo ormai di prossima diffusione serb atoi realizzati con liner metallici rinforzati in fibre strutturali (carbonio, fibre aram idiche, di vetro o miste, ecc.). La convenienza di tali sistemi si scontra tuttavia con la necessità di comprimere il gas a pressioni così alte. Essendo il processo di compressione dei gas un processo altamente oneroso e poco efficiente, un au mento di pressione si traduce immediatamente in un abbassamento de lle prestazioni del combustibile, diminuendo l'energia netta estraibile dallo stesso in quanto una parte impiegata precedentemente per la sua compressione. Pertanto, lo sviluppo di elettrolizzatore ad alta pression e, capaci di operare nel range di pressioni 500-1000 bar, costituisc e una necessità, affrontata presso i costruttori di tali sistemi ma che ad oggi non ha trovato soluzioni diverse al di là della compressione di gas. Si presenta in questo lavoro un approccio capace di coniugare, grazie alle sue caratteristiche operative, la generazione di idroge no da elettrolisi ad alta pressione alla possibilità di recuperare l'ossigeno generato, un prodotto sec ondario ad alto valore aggiunto e di largo impiego, aumentando la redditività del sistema grazie all'inseriment o nella filiera industria le di un nuovo elemento produttivo. La generazione di idrogeno ed ossigeno mediante elettrolisi e sistemi PEM (Polymer Electrolyte Membrane) consente di ottenere una qualità dei prodotti molto alta, di livello normalmente superiore a quello richiesto dalle loro applicazioni, sia che si tratti di impiego nell'autotrazione come combustibile, sia che si tratti di ossigeno a supporto della respirazione umana. Il sistema ipotizzato è composto da un elettrolizzatore operante ad alta pressione su entrambi i lati (anodo e catodo), associato ad un sistema di accu mulo ad alta pressione per l'idrogeno, adatto al rifornimento diretto dei veic oli, ed un sistema di accumulo per l'ossigeno, capace di riempire direttamente le bombole. L'elettrolizzatore è costituito da un sistema PEM pressurizzato, caratterizzato da alta efficienza e assenza di impurità dissolte nei gas prodotti (a parte il vapore d'acqua). Il sistema di accumulo sarebbe inoltre accoppiabile a generatori a fuel cell o motori a combustione interna che impieghere bbero direttamente l'idrogeno e l'ossigeno per produrre nuovamente energia elettrica, calore ed acqua, la stessa ch e verrebbe rifornita all'elettrolizzatore. Si realizzerebbe quindi un sistema operante a ciclo chiuso, dove le uniche immissioni sarebbero l'energia el ettrica generata da fonti rinnova bili e le emissioni il calore e l'energia elettrica generata dalla riconversione dell'idrogeno e ossigeno in acqua. Lo studio si propone quindi di valutare e determinare le condizioni di fattibilità tecnologiche ed economiche per un sistema siffatto, dimostrando inoltre la possibilità dell'impiego di sistemi ad alta efficienza (fuel cell) e basso impatto ambientale (ciclo chiuso).
Un approccio innovativo per la produzione di idrogeno da elettrolisi mediante sfruttamento di fonti rinnovabili
Matera F;Antonucci V
2008
Abstract
Le nuove tecnologie energetiche consentono un impiego ottimale delle fonti rinnovabili di energia in linea con la sostenibilità ambientale, ma la maggi or parte di esse risente di problemi che, stante l'attuale tecnologia di ge nerazione centralizzata, non ne permettono l'auspicabile diffusione. Inoltre la scarsa portata delle reti di distribuzione esistenti, insieme alla loro vetustà e alla loro assenza al di fuori delle aree urbanizzate peggiora il quadro generale. In un scenario energetico coerente con gli obietti vi di sviluppo e sostenibilità economica e sociale, la generazione dovrebbe in modo preferenzi ale partire da fonti energetiche rinnovabili, indipendentemente dalla loro natura (eolica, solare, ecc.). La genera zione non centralizzata, con reti di distribuzione delocalizzate rispetto ai centri di consumo (città, si ti industriali, ecc.) e capaci di trasportare anche quantità di energia notevoli (si pensi ai picchi di gener azione in cui concorrono contemporaneamente più tecnologie) introdurrebbe uno scenario che tende ad una generazione di tipo distribuito, pur restando ancora vincolata a centrali comunque piu ttosto potenti e decentrate, in cui la produzione di energia non sa rebbe più correlata al la domanda. Ne consegue che l'accumulo energetico svolge una funzione indispensabile ed irrinunciabile ne ll'accoppiare la produzione e la richiesta di energia prodotta da fonti rinnovabili. La difficoltà ed i costi necessari a coniugare produzione di energia e rispetto ambientale per i combustibili tradizionali (benzina, gasolio e ancor peggio il carbone) non mette solo in forte crisi la produzione di energia elettrica pe r impieghi stazionari ma soprattu tto il settore dei trasporti, che costituisce una parte fondame ntale dell'intera ec onomia mondiale e di cui l'industria automobilistica rappresenta la parte più importante. Pur considerando il motore a combustione interna - ove opportunamente impiegato (trazione ibrida) - ancora un valido candidato, il costo dei combustibili tradizionali rende già oggi vicini alla competitività alcuni combustibili alternativi, specialmente ove si tenga conto dei costi indiretti correlati all'inquinamento prodotto ed attualmente sostenuti per intero dalla società. L'idrogeno prodotto per elettrolis i con l'impiego di energia da f onti rinnovabili è un combustibile alternativo di alto costo ma che tuttavia è sempre più prossimo alla competitività rispetto a quelli tradizionali e ad oggi rappresenta uno dei pochi - se non l'uni co - capace di coni ugare disponibilità, efficienza e sostenibilità ambientale. L'energia impiegata per effettuare l'elettrolisi sarebbe quella prodotta in eccesso rispetto alla richiesta della re te. In tal modo la generazione di idrogeno non offrirebbe solo la possibilità di generare un com bustibile pulito e bio-compatibile (il risultato della sua conversione è vapore d'acqua), ma anche due importanti vantaggi: l'ac cumulo energetico delle fonti rinnovabili e un fattore di bilanciamento della rete, potendo in tervenire sia come sistema di assorbimento di potenza (fase di elettrolisi) sia come sistema di generazione di potenza quando la generazione di energia da RES (Renewable Energy Sources) non è sufficiente a coprire la richiesta energetica. Il tutto, sempre e co munque senza alcun impatto ambi entale dovuto alla generazione. I recenti studi nel campo della LCA (Life Cycle Analysis) mostrano come anche da questo punto di vista le tecnologie corr elate all'idrogeno (fuel cells, ecc.) consentano non solo una conversione efficiente ma persino un abbassamento dell'energia necessaria a produrre i sistemi e la loro completa riciclabilità (spesso persino la loro riut ilizzabilità) grazie anch e alla non dispersione dei metalli nobili impiegati come catalizzatori.. Essi, già presenti nelle marmitte catalitiche dei veicoli, vengono invece dispersi in atmosfera dalle stesse durante l'uso, con notevoli rischi ambientali ed un costo per il loro recupero tanto alto (filtrazione dell'aria e separazione delle polveri) quanto necessario data la scarsa disponibilità e la pericolosità ambientale di questi elementi. Nel settore dei trasporti il problema del peso e volume occupato dai sistemi di accumulo a bordo dell'idrogeno costituisce ad oggi uno dei maggiori fattori limitanti l'impiego di veicoli a fuel cell. L'attuale normativa, che limita la pressione massima a 350 bar, rende l'autonomia dei veicoli inferiore rispetto ad un veicolo convenzionale. La soluzione ottimale richiederebbe pressioni al di sopra di 700 e fino a circa 1000 bar, ottenendo in questo modo recipienti di volume e peso contenuti, essendo ormai di prossima diffusione serb atoi realizzati con liner metallici rinforzati in fibre strutturali (carbonio, fibre aram idiche, di vetro o miste, ecc.). La convenienza di tali sistemi si scontra tuttavia con la necessità di comprimere il gas a pressioni così alte. Essendo il processo di compressione dei gas un processo altamente oneroso e poco efficiente, un au mento di pressione si traduce immediatamente in un abbassamento de lle prestazioni del combustibile, diminuendo l'energia netta estraibile dallo stesso in quanto una parte impiegata precedentemente per la sua compressione. Pertanto, lo sviluppo di elettrolizzatore ad alta pression e, capaci di operare nel range di pressioni 500-1000 bar, costituisc e una necessità, affrontata presso i costruttori di tali sistemi ma che ad oggi non ha trovato soluzioni diverse al di là della compressione di gas. Si presenta in questo lavoro un approccio capace di coniugare, grazie alle sue caratteristiche operative, la generazione di idroge no da elettrolisi ad alta pressione alla possibilità di recuperare l'ossigeno generato, un prodotto sec ondario ad alto valore aggiunto e di largo impiego, aumentando la redditività del sistema grazie all'inseriment o nella filiera industria le di un nuovo elemento produttivo. La generazione di idrogeno ed ossigeno mediante elettrolisi e sistemi PEM (Polymer Electrolyte Membrane) consente di ottenere una qualità dei prodotti molto alta, di livello normalmente superiore a quello richiesto dalle loro applicazioni, sia che si tratti di impiego nell'autotrazione come combustibile, sia che si tratti di ossigeno a supporto della respirazione umana. Il sistema ipotizzato è composto da un elettrolizzatore operante ad alta pressione su entrambi i lati (anodo e catodo), associato ad un sistema di accu mulo ad alta pressione per l'idrogeno, adatto al rifornimento diretto dei veic oli, ed un sistema di accumulo per l'ossigeno, capace di riempire direttamente le bombole. L'elettrolizzatore è costituito da un sistema PEM pressurizzato, caratterizzato da alta efficienza e assenza di impurità dissolte nei gas prodotti (a parte il vapore d'acqua). Il sistema di accumulo sarebbe inoltre accoppiabile a generatori a fuel cell o motori a combustione interna che impieghere bbero direttamente l'idrogeno e l'ossigeno per produrre nuovamente energia elettrica, calore ed acqua, la stessa ch e verrebbe rifornita all'elettrolizzatore. Si realizzerebbe quindi un sistema operante a ciclo chiuso, dove le uniche immissioni sarebbero l'energia el ettrica generata da fonti rinnova bili e le emissioni il calore e l'energia elettrica generata dalla riconversione dell'idrogeno e ossigeno in acqua. Lo studio si propone quindi di valutare e determinare le condizioni di fattibilità tecnologiche ed economiche per un sistema siffatto, dimostrando inoltre la possibilità dell'impiego di sistemi ad alta efficienza (fuel cell) e basso impatto ambientale (ciclo chiuso).I documenti in IRIS sono protetti da copyright e tutti i diritti sono riservati, salvo diversa indicazione.
