Corso di “Tecniche per le Energie Rinnovabili”

Prof. Giorgio RaffelliniA.A. 2008 - 2009

RACCOLTA DEGLI APPUNTI DELLE LEZIONI DEL CORSO

(Rivisti dal Docente nell’Ottobre 2008)

3° parte

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13 LE CELLE FOTOVOLTAICHE .................................................................................................... 3 13.1 Aspetti economici ..................................................................................................................... 3 13.2 Incentivi .................................................................................................................................... 3 13.3 La progettazione fotovoltaica integrata .................................................................................... 4 13.4 Esempi di integrazione del sistema fotovoltaico in facciata .................................................... 7 13.5 Esempi di integrazione sulle coperture ..................................................................................... 7 13.6 Esempi di impianti fotovoltaici integrati : ................................................................................ 7

14 ENERGIA EOLICA ed IDRAULICA ............................................................................................ 9 14.1 Generalità. ................................................................................................................................ 9

15 ENERGIA DALL’ACQUA .......................................................................................................... 12 15.1 Energia dall’acqua di mare ..................................................................................................... 12 15.2 Energia dalle maree : .............................................................................................................. 12 15.3 Energia dall’acqua dolce ........................................................................................................ 17 15.4 Classificazioni delle Centrali .................................................................................................. 18 15.5 Quadro sintetico della tecnologia, degli impianti e delle macchine ....................................... 20 15.6 Applicazioni ........................................................................................................................... 20 15.7 Potenzialità ............................................................................................................................. 21

16 ENERGIA GEOTERMICA (= calore dalla terra) ......................................................................... 21 17 IDROGENO E FUEL CELLS ....................................................................................................... 23

17.1 CONSIDERAZIONI GENERALI ......................................................................................... 23 17.2 ELENCO PROCESSI PER LA PRODUZIONE DELL’IDROGENO .................................. 24

17.2.1 FONTI FOSSILI .............................................................................................................. 24 17.2.2 FONTI RINNOVABILI .................................................................................................. 25

17.3 Tecnologie fotobiologiche ...................................................................................................... 29 17.4 Tecnologie fotoelettrochimiche .............................................................................................. 29 17.5 STOCCAGGIO E TRASPORTO DELL’IDROGENO ......................................................... 30 17.6 DESCRIZIONE E FUNZIONAMENTO DELLA CELLA A COMBUSTIBILE ................ 32

17.6.1 PRINCIPALI TIPI DI CELLE ....................................................................................... 33 17.7 COSTI ..................................................................................................................................... 37 17.8 RICERCA E SVILUPPO ....................................................................................................... 38

18 POMPE DI CALORE ................................................................................................................... 40

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13 LE CELLE FOTOVOLTAICHE

La conversione della radiazione solare, in parte diretta in parte diffusa, in una corrente di elettroni avviene nella cella FV. Essa è costituita da un sottile strato, compreso tra 0,25 e 0,35 mm, di materiale semiconduttore, molto spesso silicio, mono o policristallino, che è l’elemento più diffuso in natura, dopo l’ossigeno. La fetta di silicio viene poi di norma intrinsecamente drogata, mediante l’inserimento nella struttura cristallina di atomi di boro. Una faccia dello strato viene invece, drogata per diffusione ad alta temperatura, con piccole quantità di fosforo.Nella zona di contatto tra i due strati a diverso drogaggio quando la cella è esposta alla luce, si generano delle cariche elettriche, in misura tanto maggiore quanto più elevato è l’irraggiamento solare e, se le due facce della cella sono collegate ad un utilizzatore, si avrà in esso un flusso di elettroni sotto forma di corrente elettrica continua.La cella solare, generalmente quadrata, ha una superficie compresa tra 100 e 225 cm2.Il monocristallino ha un rendimento del 15-17%, il policristallino del 12-14%.13.1 Aspetti economiciCosto del kWh elettrico da fotovoltaico – Costo medio livellato dell’unità di energia elettrica.Il metodo utilizza, per il calcolo del costo attualizzato del kWh, l’espressione:CkWh = (Ci . A + Cm) / NIn cui: A è il fattore di attualizzazione dell’investimento; Ci è il costo dell’investimento; Cm è il costo annuale di manutenzione; N è il numero di kWh prodotti dall’impianto in un anno.Il fattore A di attualizzazione del costo dell’impianto dipende dalla durata t dell’impianto, oggi stimata in 30 anni, e dal tasso di interesse reale r, cioè depurato dal tasso di inflazione, qui posto pari al 3%, ed è valutabile mediante l’espressione:A = r / 1 – (1 + r) -t

L’onere manutentivo Cm è stimato, sulla base dell’esperienza tratta dall’esercizio di impianti sperimentali, come pari allo 0,75% del costo dell’impianto /anno. Dal calcolo risulta:- Famiglia tipo C kWh = 650 lire/kWh, iva esclusa- Ufficio C kWh = 580 lire/kWh, iva esclusa

13.2 IncentiviLa principale barriera che rende oggi difficile la diffusione delle applicazioni fotovoltaiche è costituita dagli elevati costi iniziali e dalle efficienze modeste.

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Le applicazioni fotovoltaiche , se non supportate finanziariamente, trovano allo stato attuale della tecnologia, convenienza economica e quindi possibilità di utilizzo solo laddove l’energia elettrica non è a disposizione (es. isole, luoghi isolati, ecc..).Risultano perciò necessari degli interventi pubblici che, riconosciutone il valore sociale, incentivino l’adozione di tali sistemi, incoraggino le aziende a trovare nuove soluzioni tecniche di processo e di prodotto. In particolare da alcuni anni è stato proposto dal Governo il “contratto energia”, secondo cui l’energia el. prodotta con imp. fotov. viene accettata in rete e pagata ad un valore circa quattro volte superiore al normale costo di produzione da altre fonti . Va ancora al proposito sottolineato che con un Decr.Leg. del Febbraio 2007 l’en. el. prodotta in tal modo viene pagata a costi variabili in funzione del grado di integrazione dei moduli fotovoltaici nell’edificio, con valori crescenti per la migliore integrazione.Casi di retrofit: impianti fotovoltaici o sistemi misti che utilizzano il surriscaldamento delle parti fotovoltaiche. Esempio : edificio per uffici a Berlino che usa il fotovoltaico ai marcapiani, esposizione ottimale a sud. Oppure si può optare per una soluzione mista: pareti di celle fotovoltaiche e vetro a bassa emissività; queste celle possono essere anche policrome.La sperimentazione si ha soprattutto sugli edifici scolastici con programmi di incentivazione all’uso del fotovoltaico.

13.3 La progettazione fotovoltaica integrataRecenti studi effettuati nei laboratori di ricerca in Giappone, hanno dimostrato che gli attuali moduli fotovoltaici sono in grado di funzionare addirittura per cento anni; installare un sistema fotovoltaico significa quindi acquistare in anticipo l’energia elettrica che si utilizzerà nei prossimi decenni. Considerando quindi la lunga durata di vita dei sistemi solari fotovoltaici e i reali costi e quelli ambientali dell’energia da fonte tradizionale, il fotovoltaico è una tecnologia rinnovabile ancora più interessante.La progettazione architettonica per l’integrazione della tecnologia fotovoltaica in edilizia rappresenta un passo importante che potrà rivoluzionare la concezione dell’edificio che diventa strumento di produzione diretta di energia.I continui progressi dell’industria fotovoltaica, consentono di realizzare moduli con dimensioni sempre più simili ai componenti edilizi standard, come i componenti strutturali dei moduli, realizzati in vetro, in metallo o materiale plastico, acquisendo così una elevata caratteristica estetica e funzionale di integrabilità architettonica.L’integrazione architettonica di un impianto fotovoltaico ha i seguenti vantaggi:- Se l’impianto è parte integrante dell’edificio, i costi della sua struttura di supporto

e del terreno su cui insiste sono già coperti;- La tecnologia fotovoltaica deve essere considerata come parte integrante

dell’edificio e come tale è migliore il suo funzionamento se associata ad una corretta progettazione passiva dell’edificio;

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- Nel caso di tipologie di integrazione legate anche a soluzioni bioclimatiche, come i sistemi di ombreggiamento e le facciate ventilate, un componente costruttivo fotovoltaico può anche incidere direttamente sulla riduzione dei costi di gestione termica dell’edificio, ad esempio sul raffrescamento artificiale;

- Esiste un beneficio economico particolarmente interessante per gli edifici ad uso commerciale, il consumo della maggior parte dell’energia richiesta avviene durante il giorno, quando questa è più costosa;

- L’energia prodotta dal fotovoltaico fa risparmiare i costi di picco dell’equivalente elettricità acquistata dall’ente erogatore. Inoltre l’elettricità prodotta in eccedenza potrà essere ceduta dal proprietario all’ente erogatore e riacquistata all’occorrenza in fasce più economiche, come quelle serali e notturne;

- I sistemi fotovoltaici connessi alla rete sono più economici di quelli non connessi non dovendo essere supportati da batterie e la corrente viene generata sul posto ove viene consumata.

- Nei sistemi connessi alla rete gli impianti fotovoltaici operano in parallelo con la rete di distribuzione elettrica, cosicchè una eventuale maggiore domanda di energia se non coperta dall’impianto fotovoltaico è coperta dalla rete di distribuzione elettrica.

- Esiste infine una componente sociale che caratterizza questo nuovo modo di produrre energia: i generatori fotovoltaici convenzionali sono di solito di proprietà di enti erogatori che vendono elettricità ai loro clienti. Il fotovoltaico integrato alla costruzione invece, appartiene al proprietario dell’edificio. L’energia prodotta è integralmente di sua proprietà e sarà in buona parte utilizzata direttamente dalle sue utenze. In tal modo si creano i presupposti per un nuovo concetto di produzione locale di energia, una sorta di distribuzione capillare del sistema produttivo composto da medi, piccoli e piccolissimi generatori fotovoltaici strettamente integrati negli elementi edilizi e nelle infrastrutture urbane.

Gli elementi che costituiscono un impianto fotovoltaico sono i moduli. La selezione dei moduli, le sue caratteristiche estetiche in termini di geometria, dimensione, colore, sistema di montaggio (con telaio o senza), influirà sull’intero aspetto dell’edificio e sul carattere architettonico dell’intervento. I moduli dovranno essere generalmente posizionati in modo da evitare ombre che possano ridurre la loro efficienza.La forma, il colore e la struttura delle celle e del vetro costituiscono i più importanti parametri estetici di un modulo. Il bilancio tra la quantità e la qualità del vetro e la quantità e tipo di celle utilizzate in un modulo fa parte del processo progettuale diventando rilevante sia per il modulo stesso sia per l’intero edificio. Queste caratteristiche possono essere utilizzate come elementi di decoro ma anche funzionali.Esistono tre generali categorie per integrare i sistemi fotovoltaici negli edifici.Per prima , l’integrazione nelle coperture che possono sostituire le coperture tradizionali, sia inclinate che piane, con manti di copertura speciali fotovoltaici (tegole fotovoltaiche, coperture metalliche con fotovoltaico, ecc.) (fig. 10). La

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seconda categoria riguarda l’integrazione dei sistemi di facciata, sostituendo le facciate vetrate tradizionali con altre integrate con sistemi fotovoltaici (fig. 11), ed infine l’integrazione con i sistemi frangisole e schermi solari, che potranno essere posti sia in copertura che in facciata (figg. 12, 13, 14).

Un corretto utilizzo termico dei moduli fotovoltaici integrati in edilizia, permette di ottenere una riduzione dei consumi energetici per il riscaldamento invernale e il raffrescamento estivo.Il comportamento termico invernale, le caratteristiche di isolamento termico dell’insieme dei moduli fotovoltaici e delle relative strutture di supporto e sostegno devono essere tali da garantire una bassa dispersione del calore dall’interno verso l’esterno. Il comportamento termico estivo è più complesso da valutare di quello invernale perché oltre alla differenza di temperatura tra ambiente interno ed esterno, che in genere risulta inferiore rispetto a quella invernale, entra in gioco anche l’irraggiamento solare, il quale costituisce il contributo più significativo per ciò che riguarda lo scambio termico.

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13.4 Esempi di integrazione del sistema fotovoltaico in facciata_ The solar office, Inghilterra : si ha una facciata inclinata che utilizza varie strategie passive; il fotovoltaico è usato come schermatura e ci sono bocchette d’aria per una continua aerazione_ Solar Zentrum, Friburgo : prevede il recupero dell’energia, delle acque piovane e l’utilizzo di tetti verdi_ Corinthia Panorama Hotel, Praga : utilizza celle cromatiche a vari colori per esigenze estetiche_ Biblioteca a Matarò, Spagna : la facciata a sud è a doppia pelle; la prima è formata da celle fotovoltaiche vetro-vetro e la seconda da vetri isolanti. Formano una camera d’aria da cui l’aria viene immessa nell’impianto di riscaldamento_ Accademia Mont – Cenis, Germania : la copertura è composta di pannelli orizzontali e tra fascia e fascia sono inseriti gli elementi per la ventilazione_ Deposito pompieri : la copertura curva con celle distanziate assicura il fabbisogno della centraleSede Comunale a Capannori (LU) e imp. presso Dip. di Fisica di UNIFI.

13.5 Esempi di integrazione sulle copertureQuesti sono più numerosi perché più semplici da progettare, da installare, da aerare.Si chiama intervento integrato la realizzazione di una copertura fotovoltaica al posto di quella tradizionale.Studio a Roma : c’è un sistema di pilastri che regge i pannelli. Le celle sono di due tipi: opache e semi-trasparenti.Quelle opache non lasciano passare la luce e quindi vengono messe in opera distanziate;quelle semi-trasparenti invece permettono di guardarci attraverso, ma per ora sono molto care.Applicazioni frequenti :_ solai tradizionali: nelle coperture in cotto vengono inserite celle fotovoltaiche, ce ne sono varie soluzioni in commercio_ case a schiera: in Inghilterra Bed Zed è un quartiere residenziale dove si usano tetti verdi e celle fotovoltaiche_ uffici del Bre in Inghilterra: si hanno torri di dispersione dell’aria calda

13.6 Esempi di impianti fotovoltaici integrati :In Germania è stata fatta una grande campagna di sensibilizzazione, si può produrre energia elettrica da vendere alla rete nazionale. Le soluzioni fotovoltaiche possono

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essere interessanti in paesi in via di sviluppo non ancora raggiunti dall’energia elettrica.Esiste un tipo di celle a film sottile, è composto da vari strati plastificati, si vendono in rotoli e possono essere messi sul tetto in modo semplice anche inchiodandoli..45Il Ministero dell’Ambiente dal 2000 ha promosso una grande campagna per incentivare l’uso del fotovoltaico in edifici pubblici e privati._ Municipio di Capannori (Lucca): le celle si trovano sulla parete inclinata, già di suo orientata a sud-ovest ( orientamento non ottimale ). Nella parte centrale si ha il recupero del calore con bocchette di aspirazione dell’aria calda che viene poi immessa negli uffici più interni. L’angolo ottimale per l’orientamento dei pannelli è uguale alla latitudine, può oscillare di circa dieci gradi._ Scuola a Lucca: i lucernari permettono un accumulo di energia e un aumento di calore nei corridoi; questi sono anche dotati di aperture verso nord per eliminare il calore in eccesso durante l’estate_ Liceo scientifico a Pisa: sono stati realizzati due tipi di intervento: uno sopra il lucernario, su cui sono stati inseriti i moduli per dare elettricità alla palestra, e l’altro interessa il fronte sud dove sono stati inseriti elementi frangisole su vari ordini di finestre_ Palestra a Livorno: sulla copertura in lamiera sono stati inseriti tre elementi orientati, diversamente uno rispetto all’altro, per adattarsi alla forma della copertura_ Ospedale Meyer a Firenze: sul corridoio di collegamento vetrato sono state poste delle celle ad alta densità in alto e che, man mano che scendono, diventano semi-trasparenti e permettono di vederci attraverso_ Polo Scientifico di Sesto Fiorentino (finanziato dalla Comunità Europea e dal Ministero dell’Ambiente): la struttura è in travi reticolari con sistema di celle in silicio mono-cristallino nel grande atrio per dare energia alle aule.

In tutta Europa si stanno realizzando grandi impianti a celle fotovoltaiche , ad es. :

- in Spagna, attraverso finanziamenti Della Banca Santander e di BP Solar, è lanciato un programma di raddoppio delle installazioni di tale tipo nel giro di pochi anni , con circa 280 nuove installazioni da circa 100 kWp ciascuna per un totale di quasi 25 MWp ;

- in Portogallo , a 200 km a Sud di Lisbona si sta realizzando la più grande centrale fotovoltaica nel mondo, con 50.000 moduli per un totale di 11 MWp , in grado di fornire en. el. a circa 8.000 abitazioni .

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_“ Solar Mission “ progetto di un’azienda australiana, sfrutta l’en. eolica e quella solare. Ogni centrale ha la capacità massima di 200 MW equivalente alla fornitura di energia a 20000 abitazioni. L’impianto è formato da una torre alta 1 Km sotto a migliaia di collettori solari.funziona come una gigantesca serra; l’aria sotto i pannelli viene riscaldata dal sole e convogliata verso il camino per effetto camino. Alla base della torre c’è una turbina azionata dall’aria calda. Il sistema funziona a pieno regime anche di notte perché i pannelli solari rilasciano il calore accumulato di giorno.L’aria riscaldata dentro la serra ha una temperatura maggiore di 35° rispetto a quella esterna. La serra l’aria si sposa al centro del collettore dove c’e una torre che crea un tiraggio dell’aria attraverso le turbine che vanno ad azionare en generatore elettrico. l’aria nella torre raggiunge una velocità di 15 m/s che è ideale per l’impianto eolico.

14 ENERGIA EOLICA ED IDRAULICA

14.1 Generalità.L’energia eolica e l’energia idraulica sono le prime forme di energia che l’uomo ha utilizzato , ne sono esempio i mulini a vento (es. Sicilia, Sardegna, Olanda) o ad acqua (fiumi o torrenti).Di questi ultimi la città di Bologna ne offre un esempio: durante il 1500 sono stati portarti in città con canali due fiumi (Reno ed Aposa), canalizzandoli e sfruttando un certo dislivello presente all’interno della città, consentendo così agli artigiani di sfruttare la forza dell’acqua come forza motrice per muovere i loro telai per la tessitura delle sete. Questa energia ha consentito la fortuna degli artigiani e di riflesso alla città. Le botteghe artigiane di tessitura delle sete, per almeno duecento anni famose in Europa, quindi si collocavano al piano terreno, mentre le loro abitazioni erano al primo piano.L’ energia idraulica è più facilmente utilizzabile dell’energia eolica perché la portata di un fiume è pressoché costante e poi perché il peso specifico dell’acqua è circa 1000 volte superiore di quello dell’aria.Per produrre energia elettrica tramite centrali termoelettriche si hanno emissioni inquinanti di :_ CO2 ( anidride carbonica ) ne viene emessa 1000 g / KWh ed è responsabile dell’effetto serra._ SO2 ( anidride solforosa ) se combinata con l’acqua dà origine all’acido solforico_ NO2 ( nitrato ) se combinato con l’acqua forma l’acido nitrico che insieme all’acido solforico è nocivo e dà origine alle piogge acide.Per le centrali eoliche c’è da considerare l’impatto visivo e il rumore, paragonabile a quello del traffico metropolitano. Quando la velocità del vento è eccessiva per motivi

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di sicurezza le pale si mettono fuori servizio.Gli impianti eolici in mezzo al mare si dicono offshore.Si elencano, schematicamente, gli elementi caratterizzanti dell’Energia EolicaCONCETTO BASE: Risorsa che deve essere: 1. Accessibile

2. Tecnicamente utilizzabile3. Economicamente giustificata

MACCHINE classificabili per: 1. Posizione asse di rotazione2. Numero pale e dimensioni3. Taglia e potenza

TIPOLOGIA SOSTEGNO: 1. Palo acciaio2. Palo cemento3. traliccio

DISPOSIZIONE sul TERRENO o sul MARE 1. Quadrato o rombo

2. fila unica3. file parallele4. file incrociate (croce di Sant’Andrea)5. casuale

ELEMENTI COSTITUTIVI PRINCIPALI:A. SostegnoB. Navicella o sistema alloggiamentoC. Sistema orientamento e frenoD. Rotore e sottosistemiE. Generatore elettrico e connessione reteF. Controllo sistema.E’ la trasformazione dell’energia cinetica del vento in energia meccanica, utilizzabile per la produzione di energia elettrica, per usi vari (pompaggio, mole per macinare).Di solito ad asse orizzontale

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- con alberi di trasmissione (lento, veloce), ingranaggi (moltiplicatori, demoltiplicatori);- dispositivi terminali, rotore, gondola o navicella, che è in grado di ruotare, rispetto al sostegno, per allinearsi istantaneamente alla direzione del vento;- pale da 1 a 40 m di dimensione, in numero di 2 - ...), che azionano il rotore;- inerzia del sistema (fermo per venti deboli);

- velocità minima 2,5−3 m/s ( ≅ 8-12 km/h), in genere 5-20 m/s (≅ 18-72 km/h), oltre i 25 m/s disassamento per sicurezza.

POTENZA RACCOLTA = ½ ρ A ω3 = 2

)(32pcr ωρ π

cp adimensionale variabile in funzione di:- posizione asse rotazione;- taglia;- n° pale;- velocità rotore;- regolazione;- resa complessiva!

∆ω varia con H , w/wo = (H/H0)α dove α = 0,1 ÷ 0,4; H > 6m sempre.

E/E0 = (H/H0)3n dove 3n = 0,3 ÷ 1,2.

Attualmente vengono proposti con crescente successo anche piccoli imp. eolici, addirittura per villette isolate (minieolico) , che hanno vari vantaggi : costo moderato, bassa inerzia, quindi funzionano anche con velocità del vento modeste (2-3 m/s), poco rumorosi.

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15 ENERGIA DALL’ACQUA

15.1 Energia dall’acqua di mareSi prova ad utilizzarla sotto varie forme, ma si tratta ancora di modi futuribili e acerbi, anche se sono già presenti alcuni impianti sperimentali ._ Dt : per ora è ancora teorico. Si utilizza la diff. di temperatura tra la superficie e le profondità marine, quindi considerandole due sorgenti a temperature diverse, tramite una macchina operante fra di esse che fornisce lavoro (ciclo diretto)._ Maree : riguardo al livello del mare si registrano variazioni dal giorno alla notte che possono essere in alcune località (es. Mont Saint Michel in Francia) dell’ordine anche di qualche metro.Tale valore di per sé potrebbe avere poca rilevanza ma va considerata la grande portata d’acqua interessata da tale movimento. Sono in corso degli studi sperimentali specialmente in Francia su questo fenomeno, almeno un grosso impianto è già in funzione ._ Moto ondoso : sono necessarie onde abbastanza grandi (altezza ed ampiezza). Si può ottenere energia sfruttando il funzionamento di un galleggiante che si alza e si abbassa con l’onda , che risulta simile ad una pompa a stantuffo, oppure si creano cavità , simili a grotte, dove si intrappolano le onde, ed alla cui sommità si pongono stantuffi o ventole , su cui vengono inseriti meccanismi per muovere alberi in acciaio, e da qui l’alternatore. Ci sono primi impianti sperimentali in Inghilterra e Giappone._ Correnti: si utilizzano delle paratie, oppure delle grandi ventole immerse . Ci sono impianti operanti nello stretto di Messina.

15.2 Energia dalle maree :Definizione di MAREA: deformazione della superficie di un astro prodotta dall’azione gravitazionale di uno o più corpi celesti. Per la Terra l'oscillazione di livello del mare è causata dall'attrazione gravitazionale combinata del Sole e della Luna.La deformazione della massa acquea è periodica e regolare, in generale si manifesta col ripetersi nell'arco di 24 h 50 minuti, corrispondente al giorno lunare medio, di due innalzamenti (flusso o alta marea) e due abbassamenti (riflusso o bassa marea) del livello marino. I due flussi e i due riflussi si alternano circa ogni sei ore generando due correnti di senso opposto (correnti di marea). IMPIANTI CHE SFRUTTANO L’AMPIEZZA DI MAREA :Le centrali mareomotrici sono costituite da uno sbarramento artificiale sull’estuario che comprende, sotto il livello del mare, una serie di tunnel contenenti turbine collegate a generatori. L'acqua che scorre attraverso lo sbarramento passa all’interno dei tunnel dove acquista velocità e fa girare la turbina. Durante la bassa marea l'acqua dalla foce defluisce verso il mare aperto, mettendo in rotazione la turbina; quando il livello del mare comincia a salire e l'onda di marea è sufficientemente alta si fa fluire

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l'acqua del mare nella foce e la turbina si mette nuovamente in rotazione. Le turbine sono quindi reversibili e funzionano sia al crescere che al calare della marea.Affinché la centrale funzioni correttamente e abbia un rendimento elevato, è necessario che l’ampiezza della marea sia sufficiente. Nel Regno Unito ci sono parecchi siti che sarebbero indicati per questo tipo di impianto, e il più grande potrebbe essere sull’estuario di Severn. In Italia, considerando la modesta entità delle maree nel Mediterraneo, non ci sono grandi potenzialità per questa fonte.Es. Centrale mareomotrice di La Rance, Francia :La centrale fu costruita tra il 1961 e il 1966, sulla foce del fiume Rance, in Bretagna, tra S.Malo e Dinard.Comprende una diga in pietrame, 6 chiuse di entrata e uscita per vuotare e riempire rapidamente la foce e 24 turbine a bulbo con asse orizzontale, sulle quali agisce direttamente il flusso d’acqua. I gruppi di turbine a bulbo della centrale di marea bretone, sviluppate appositamente, comprendono una turbina, un generatore e una pompa e funzionano con l'alta e con la bassa marea.L’estuario viene riempito e svuotato due volte al giorno per il passaggio di un massimo di 18.000 metri cubi di acqua al secondo. L’ampiezza della marea in questa zona è di circa 13,5 m. La centrale che produce 240 MW di potenza, copre annualmente il 3 % del fabbisogno elettrico della Bretagna.La centrale di marea funziona anche da centrale a ripompaggio: l'elettricità in eccesso viene utilizzata per pompare acqua nel corso del fiume a monte. Quando l'acqua pompata è fatta nuovamente scorrere verso il mare attraverso la turbina, viene generata nuova elettricità.

IMPIANTI CHE SFRUTTANO LE CORRENTI DI MAREA :Nella sola Europa la disponibilità di energia di correnti di marea è pari a circa 75 GW (75 milioni di Kilowatt) e la stima dell’energia sfruttabile è pari a circa 50 TWh (TeraWattora equivalenti a 50 miliardi di Kilowattora), è che se questa fonte fosse opportunamente sfruttata, sarebbe in grado di fornire un enorme quantità di energia elettrica.Poca attenzione, però, è stata prestata allo sfruttamento delle correnti di marea. È bene notare che gli impianti che sfruttano le correnti di marea sono del tipo “non a barriera”, al contrario di quelle che utilizzano l’innalzamento e l’abbassamento delle

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maree (come la struttura di La Rance in Francia) che dal punto di vista ambientale sono particolarmente invasive.TECNOLOGIAUso di una turbina idraulica (ad asse verticale o orizzontale), direttamente connessa al generatore, capace di convertire l’energia cinetica posseduta dalle correnti marine in energia di rotazione, la quale a sua volta viene convertita in energia elettrica.

Il sistema è molto simile, anche meccanicamente, a quello eolico, con la differenza che l’impianto è sommerso e la turbina viene mossa dal flusso d’acqua anziché dal vento, le turbine a corrente marina necessitano di dimensioni più piccole rispetto a quelle eoliche; questo perché l’acqua è circa 1.000 volte più densa dell’aria. Inoltre le turbine immerse possono essere poste più vicine tra loro in quanto le correnti marine, a differenza dei venti, sono generalmente

bidirezionali.Rispetto alle centrali mareomotrici, che possono essere realizzate soltanto in luoghi in cui l’ampiezza di marea e’ sufficientemente alta, le turbine possono essere collocate anche nel Mediterraneo; un progetto attualmente in corso di perfezionamento interessa lo Stretto di Messina. Il progetto ENERMAR nello stretto di Messina :Il progetto ENERMAR è stato realizzato dalla Ponte di Archimede nello Stretto di Messina S.p.A.Il progetto, finanziato in parte dall'Unione Europea, in parte dalla Regione Sicilia ed in parte dalla Ponte di Archimede, propone lo sfruttamento dell’energia rinnovabile contenuta nelle correnti marine per mezzo di una innovativa turbina ad asse verticale ( KOBOLD).

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Un impianto pilota, che sfrutta appunto l’ energia delle correnti di marea, è stato installato nello stretto di Messina, vicino alla costa siciliana, di fronte alla cittadina di Ganzirri.In questo sito è prevista una velocità massima della corrente di circa 2 m/s (4 nodi), la profondità del mare è di 20 metri e l’impianto è stato ormeggiato a 150 metri dalla costa.La corrente non è mai ferma, ogni 6 ore circa inverte il verso di scorrimento, mentre la sua intensità varia con un periodo di 14 giorni.Gli obiettivi principali sono: ottenere un sistema con elevate caratteristiche di solidità ed efficienza, che necessiti di poca manutenzione e promuoverne lo sviluppo industriale e la sua commercializzazione.La turbina KOBOLD, che ha una potenza nominale di 120 KW, nello Stretto di

Messina, dove la velocità della corrente raggiunge al massimo 2 m/s, è capace di produrre circa 25 KW che soddisferebbero il bisogno di elettricità di circa 8 unità abitative. Turbina a sei pale all’interno della galleria del vento.L’impianto ENERMAR montato su una piattaforma galleggiante situata nello stretto di Messina, è composto dalla turbina e da un generatore elettrico.

La turbina KOBOLD, caratterizzata dal verso di rotazione indipendente dalla direzione della corrente marina (bidirezionale), è stata progettata per raggiungere il livello più elevato possibile di salvaguardia ambientale e di efficienza, e per rispettare le necessità di bassi costi di costruzione e di manutenzione. Inoltre è caratterizzata daun elevato valore della coppia all’avvio, che rende la turbina capace di avviarsi spontaneamente, anche sotto carico, senza la necessità di qualsiasi sistema di avvio. Le prove condotte sull’impianto pilota hanno rilevato che anche con una corrente lenta (circa 1.2 m/s), il rotore inizia a ruotare velocemente senza nessun aiuto esterno.

Attualmente sono in corso studi relativi alla trasmissione meccanica e alla connessione con il generatore elettrico, atti a migliorare l’efficienza del sistema.Le principali dimensioni dell’impianto sono le seguenti:L’efficienza globale¹ è pari a circa il 23%, paragonabile, o addirittura migliore, rispetto a quella delle turbine eoliche che godono di uno sviluppo più che trentennale. Tale risultato è estremamente incoraggiante.

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Dall’impianto di Ganzirri è possibile estrarre annualmente² una quantità di energia utile pari a circa 219000 KWh, mentre uno studio ha rilevato che l’energia totale estraibile in questo sito è pari a 538 GWh.¹ Si definisce efficienza globale del sistema il rapporto tra la potenza elettrica erogata e la potenza teorica connessa con la corrente marina che intercetta il rotore.² Considerando che la corrente non è mai ferma: 25 KW · 8760 h = 219000 KWh.Per quanto riguarda l’aspetto economico, per il momento il costo dell’impianto è molto elevato, il prototipo infatti è costato 620.000 Euro, ma se il progetto Enermar venisse prodotto in serie il prezzo potrebbe abbassarsi sensibilmente.Relativamente al problema dell’impatto ambientale, l’Università di Messina ha condotto studi valutando la compatibilità dell’impianto ENERMAR con il mare, la flora e la fauna marina. Gli studi hanno rilevato che l’impatto ambientale è trascurabile, soprattutto perché la turbina ruota molto lentamente.TURBINA: Diametro: 6 m Altezza delle pale: 5 mCorda: 0.4 mNumero di pale: 3

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PIATTAFORMA:Galleggiante: Diametro: 10 mAltezza: 2.5 mPescaggio: 1.5 mOrmeggio: Numero dei blocchi di ancoraggio: 4Peso dei blocchi (in cemento): 350 KN ognunoProfondità: 18 – 25 m.52

15.3 Energia dall’acqua dolce_ Mulini e similari : prima fonte di energia , ma ancora attuale in certi paesi._ IdroelettricaEnergia idroelettrica è un termine usato per definire l'energia elettrica ottenibile a partire da una caduta d'acqua, convertendo con apposito macchinario l'energia meccanica contenuta nella portata d'acqua trattata. Gli impianti idraulici, quindi, sfruttano l'energia potenziale meccanica contenuta in una portata di acqua che si trova disponibile ad una certa quota rispetto al livello cui sono posizionate le turbine.

Si sfrutta l’equazione energetica di un sistema aperto con fluido a ρ= densità costante

( ) ( ) ( ) LRPPzzgww ±=+−+−+−ρ

12122

12

( en. Cinetica + en. Potenziale + D pressione + perdite di carico ) = lavoro

W = velocità media ( m/s )g = accelerazione di gravità ( m/s2)Z = quota ( m )P = pressione esterna o atmosferica ( N/ m )ρ = densità ( Kg / m3

)R = perdite di carico o di pressione ( kJ/kg )L = lavoro unitario speso o ottenibile ( kJ/kg )La potenza ottenibile è data da :P = L * M = (kW)Potenza = lavoro unitario ottenibile * portata massica

2 principali sistemi di utilizzo:- Tipica centrale idroelettrica: grandi portate e grandi salti : diga e condotte,- Grandi portate e piccoli dislivelli : deviando parte del corso di un fiume.Questi impianti sono molto interessanti perché possono essere messi in funzione quando ce n’è reale bisogno , basta aprire le paratie e l’acqua fluisce !, cioè quando la richiesta è maggiore e l’energia costa di più. Si riducono così i costi. Trattasi di impianti di maggior pregio. Tali impianti sono talvolta integrati da bacini di accumulo con pompe ( durante la notte, quando c’è poca richiesta di energia el. e quindi essa costa poco, queste pompe, funzionanti con en. el. a basso costo, riportano l’acqua nel bacino superiore, per poi farla ridiscendere quando la richiesta è molta ed il costo elevato. In questo modo, negli anni scorsi, l’ENEL ha recuperato il 2 - 3 % della sua produzione complessiva).Anche se sotto il profilo energetico questo sistema è dissipativo.

15.4 Classificazioni delle CentraliIn base alle potenze ottenibili_ MICRO : fino a 100 kW_ MINI : fino a 1000 kW_ PICCOLI : fino a 10000 kW_ GRANDI : oltreIn base alla portata_ PICCOLA : fino a 10 m 3 / s

_ MEDIA : fino a 100 m 3 / s_ GRANDE : fino a 1000 m 3 / s_ ALTISSIMA : oltreN.B. Per riferimento: 1 rubinetto eroga 0,1 litri /s = 3,6 m 3 /hIn base al salto_ PICCOLO :10 / 20 m_ BASSO : fino a 50 m_ MEDIO : fino a 250 m_ ALTO : fino a 1000 m_ MOLTO ALTO : oltreCi sono vari tipi di turbine e pale a seconda delle necessità perché quando diminuisce il dislivello deve aumentare la portata.Esempio : turbina Pelton a 6 introduttori.

APPLICAZIONI MICRO_ Acquedotti locali ( esempio città con piccoli dislivelli; c’è stato anche un concorso a Bologna dove c’è un piccolo salto nella centralina detta del Cavaticcio )_ Canali di bonifica_ Canali e condotte per superi portata_ Circuito di raffreddamento di grandi impianti_ Piccoli salti di acqua ( dove poter utilizzare ad esempio miniturbine RIVA- CALZONI ).COSTI1 KWh minidraulico costa mediamente sulle 100 lire = circa 5 cent €

IMPATTO AMBIENTALE_ Attenzione alle variazioni di portata dei corsi d’acqua ed alle modifiche del paesaggio (es. Val Venosta con chiesa sommersa)_ Attenzione alle variazioni della qualità dell’acqua a livello industriale ( es. per le ditte che estraggono materiali inerti del fiume ) e a livello ambientali ( vegetazione e fauna )_ Attenzione alle piene e agli eventi catastrofici ( es. Vajont )

15.5 Quadro sintetico della tecnologia, degli impianti e delle macchinePertanto la potenza di un impianto idraulico dipende da due termini: il salto (dislivello esistente fra la quota a cui è disponibile la risorsa idrica svasata e il livello a cui la stessa viene restituita dopo il passaggio attraverso la turbina) e la portata (la massa d'acqua che fluisce attraverso la macchina espressa per unità di tempo).Gli impianti possono essere poi:A. ad acqua fluente;B. a bacino;C. di accumulo a mezzo pompaggio.

Una centrale è composta in genere da un'opera di derivazione (contenente uno sbarramento), un'opera di adduzione (condotte di collegamento), una condotta forzata, una centrale elettrica che contiene il macchinario di conversione e generazione e un'opera di restituzione.La derivazione di acque è regolata per legge sulla base di apposite concessioni governative che risultano sempre a titolo oneroso e che sono soggette a rinnovo con durata, in genere, almeno ventennale. La portata derivata da un bacino deve essere tale da rispettare l'ambiente e l'idrologia del corpo idrico intercettato.Una delle particolarità salienti di questi impianti è legata al fatto che per tipologia impiantistica e taglia si prestano ad essere del tutto automatizzati. L'impiego di macchinario elettromeccanico realizzato ad hoc consente in qualche modo di ottimizzarne i costi ma va comunque tenuto presente che i costi legati a questa voce non superano in genere il 10-15% del totale.Il macchinario è costituito in genere da piccole turbine Francis e Pelton per gli impianti con maggiori salti.15.6 ApplicazioniIn genere molti impianti di piccola taglia si trovano realizzati in aree montane su corsi d'acqua a regime torrentizio o permanente e l'introduzione del telecontrollo, telesorveglianza e telecomando ed azionamento consentono di recuperarli ad una piena produttività, risparmiando sui costi del personale di gestione, che in genere si limita alla sola manutenzione ordinaria con semplici operazioni periodiche (ad es. la sostituzione dell'olio per la lubrificazione delle parti). Molti impianti di piccola taglia attuano il cosiddetto recupero energetico. I sistemi idrici nei quali esistono possibilità di recupero sono assai diversi e possono essere indicativamente raggruppati nelle seguenti tipologie:a. acquedotti locali o reti acquedottistiche complesse;b. sistemi idrici ad uso plurimo (potabile, industriale, irriguo, ricreativo, etc.);c. sistemi di canali di bonifica o irrigui;d. canali o condotte di deflusso per i superi di portata;e. circuiti di raffreddamento di condensatori di impianti motori termici.

15.7 PotenzialitàSecondo le analisi condotte da TONDI et al. (1999) esistono quote significative di possibile crescita per gli impianti idraulici in Italia, e tali stime trovano conferma anche nelle valutazioni dell'ENEA (1998)secondo cui sarebbe possibile realizzare in Italia, entro il 2010, 850 MWe di impianti idraulici di taglia small (P > 10 MW), avendone messi in funzione per circa 311 MWe entro il 2001 insieme a 450 MWe di impianti di taglia superiore a 10 MWe.13.8 Aspetti economiciIl costo medio del kWh degli impianti mini-hydro varia dalle 0,05 € alle 0,07 € in funzione delle caratteristiche del sito (salto e portata).Per uno sviluppo di tutti gli impianti già individuati si è stimata una somma pari a circa 500 milioni di euro, con un costo unitario della potenza installata pari a circa 1 milione di euro.Un possibile incentivo alla realizzazione degli impianti, ipotizzati per le aree urbane e/o suburbane, potrebbe venire dalla loro integrazione in sistemi DPS (piccoli impianti distribuiti di accumulo a mezzo pompaggio del tipo proposti da REYNOLDS (1995) ed in questo caso tali impianti potrebbero, significativamente, partecipare al miglioramento della qualità del sistema di distribuzione elettrica a livello locale, specie nelle aree appenniniche della penisola.

16 ENERGIA GEOTERMICA (= CALORE DALLA TERRA)

Cenni storiciFin dal 270 a.C. era nota, in Toscana, la presenza di acqua calda sotterranea. Le pozze d’acqua calda erano chiamate Lagoni. Queste acque venivano trattate per ottenere il Boro usato come fissante nell’industria ceramica e per ottenere l’acido borico ad usi farmaceutici.Lardarello prende il nome da messier De Lardarel, ufficiale napoleonico che fondò una società, con altri due ufficiali, per lo sfruttamento di questi lagoni. Questa prima società fallì perché per fare evaporare l’acqua si usava della legna, prelevata dai boschi vicini, e ciò non era economicamente vantaggioso.De Lardarel successivamente fondò un’altra società, che prosperò, avendo egli avuto la felice intuizione di usare la sorgente stessa quale fornitore di energia .Nel 1905 sfruttando i soffioni si diede energia elettrica alle prime sei lampade ad arco elettrico (marchese Ginori), ma solo un anno dopo (1906) a tutto il paese.Nel 1915 fu installata una prima centrale con turbina e generatore elettrico da 2,57 MW.Divisione delle acque:

_ Bassa entalpia_ Media entalpia_ Elevata entalpia_ Le sorgenti a bassa entalpia sono utilizzate per le terme, ce ne sono sparse in tutta Italia. Ci sono stati anche vari tentativi di utilizzo ad esempio per l’itticoltura , poichè in acque tiepide i pesci crescono più velocemente, e per le serre, con coltivazione di ortaggi. Riscaldandole con questi sistemi si possono ottenere primizie, praticamente senza costi aggiuntivi.Nei posti dove ci sono i soffioni di vapore, si è venuto a creare un bacino perché l’acqua infiltratasi dal terreno ha incontrato uno strato impermeabile, che la blocca formando una sorta di grande contenitore (pentola) e una fonte di calore dovuta al magma, che la riscalda. Per ogni Km di profondità la temperatura aumenta di 30 ° C circa, in zone particolari tipo Lardarello la temperatura aumenta di circa 50 °C per ogni km di profondità.Per mantenere le trivellazioni sempre in funzione i bacini vengono reintegrati dell’acqua estratta.Ci sono due tipi di pozzo:_ Pozzo ad acqua dominante_ Pozzo a vapore dominanteTorri evaporative: hanno la funzione di raffreddare l’acqua una volta che si è espansa nelle turbine, per reintrodurla nel terreno. Hanno un forte impatto ambientale come, del resto,le varie tubazioni (vedasi foto) .Tubazioni : questi tubi sono fortemente isolati, fatti di acciaio speciale poiché le acque hanno anche elementi fortemente corrosivi derivati dall’anidride carbonica , dallo zolfo, dal boro e dai silicati.I tubi sono ricoperti da uno strato isolante e poi da un rivestimento esterno in alluminio. Le tubazioni sono lunghe qualche km e, come tutti gli elementi solidi, hanno una dilazione dovuta al calore. Hanno bisogno quindi di giunti di dilatazione che possono essere di vari tipi . Il giunto a cannocchiale adotta appunto lo stesso funzionamento del cannocchiale, i due tubi scorrono uno dentro l’altro. Il giunto a lira o ad omega riprende la propria forma dal nome e collega due tubi rettilinei. Grazie alla forma diversa assorbe la variazione di lunghezza, è importante però che siano collegati saldamenti gli estremi ai tubi. Il giunto a soffietto, come quello che si usa per i riscaldamenti, è un tubo con flange che ne collega altri due.L’utilizzazione più diffusa dell’energia ottenuta è per produrre energia elettrica tramite una turbina, che può essere di vari modelli , ed un alternatore.

17 IDROGENO E FUEL CELLS

CARATTERISTICHE CHIMICO-FISICHE DELL’IDROGENO, DELLA BENZINA E DEL GAS NATURALE

PROPRIETA’ BENZINA(pura)

GASNATURALE

IDROGENO

Stato fisico a 20 °C Liquido Gassoso GassosoDensità (g/cm 3 ) 0.73 0.78 10 -3 0.84 10 -4 (gas)

0.71 10 -1 (liq. a –253 °C)

Punto di ebollizione 38/204 °C - 156 °C - 253 °CPotere calorifico inf.· Gravimetrico(kJ/kg)· Volumetrico(kJ/m 3 )

4.8 10 4

37.3 10 3

12.5 10 4

10.4 10 3 (gas)

8.52 10 6 (liquido)Composizione di combustione in aria (% Vol)

1.76 9.43 29.3

Intervallo di infiammabilità nell’aria (%)

1.4 – 7.6 5 – 16 4 - 75

Velocità di fiamma (m/s)

0.40 0.41 3.45

Temperatura di fiamma (°C)

2197 1875 2045

Temperatura di ignizione (°C)

257 540 585

Luminosità di fiamma Alta Media Bassa

Prodotti di combustione

CO,CO2, H2O CO,CO2, H2O H2O

17.1 CONSIDERAZIONI GENERALIL’idrogeno, l’elemento più leggero e abbondante dell’universo, è assai raro sulla Terra allo stato elementare, a causa della sua estrema volatilità – si trova, ad esempio, nelle emanazioni vulcaniche, nelle sorgenti petrolifere, nelle fumarole – viceversa è molto diffuso sotto forma di composti (acqua, idrocarburi, sostanze minerali, organismi animali e vegetali) e può quindi essere prodotto a partire da diverse fonti. L’interesse per il suo impiego come combustibile, sia per applicazioni stazionarie che per la trazione, deriva dall’abbondanza con cui è reperibile nei composti, e dal fatto che l’inquinamento prodotto è assai limitato; infatti, se usato in sistemi a combustione produce vapor d’acqua e tracce di ossidi di azoto, oppure solo vapor d’acqua se utilizzato con sistemi elettrochimici con celle a combustibile. L’introduzione dell’idrogeno come combustibile – e più in generale come vettore energetico – richiede che siano messe a punto le tecnologie necessarie per agevolarne

la produzione, il trasporto, l’accumulo e l’utilizzo. A titolo di esempio, solo per la liquefazione a -253°C occorrono particolari tecnologie oltre che la predisposizione di speciali containers per il trasporto.Per quanto riguarda la produzione, si ricorda che le fonti primarie di partenza possono essere sia fossili che rinnovabili, in modo da contribuire alla diversificazione ed all’integrazione tra diversi tipi di energia.

17.2 ELENCO PROCESSI PER LA PRODUZIONE DELL’IDROGENOLe tecnologie di produzione dell’idrogeno a partire dai combustibili fossili sono mature e ampiamente utilizzate, anche se vanno ottimizzate da un punto di vista economico, energetico e di impatto ambientale. Dei circa 500 miliardi di Nm3 (1) di idrogeno prodotti attualmente a livello mondiale, circa 190 miliardi rappresentano un sottoprodotto dell’industria chimica (ad es. dagli impianti cloro-soda), mentre la maggior frazione deriva da combustibili fossili, gas naturale e olio pesante, attraverso processi di reforming (= ???) e di ossidazione parziale.

17.2.1FONTI FOSSILI

TRASFORMAZIONE DEGLI IDROCARBURI: Lo steam reforming del metano (SMR) è un processo ben sviluppato ed altamente commercializzato, attraverso il quale si produce circa il 48% dell'idrogeno mondiale. Lo SMR implica la reazione di metano e vapore in presenza di catalizzatori. Tale processo, su scala industriale, richiede una temperatura operativa di circa 800 °C ed una pressione di 2,5 MPa. La prima fase consiste nella decomposizione del metano in idrogeno e monossido di carbonio. Nella seconda fase, chiamata "shift reaction", il monossido di carbonio e l'acqua si trasformano in biossido di carbonio ed idrogeno.

GASSIFICAZIONE DEL CARBONE E DEI COMBUSTIBILI FOSSILI:In generale, il processo di gassificazione consiste nella parziale ossidazione, non catalitica, di una sostanza solida, liquida o gassosa che ha l'obiettivo finale di produrre un combustibile gassoso, formato principalmente da idrogeno, ossido di carbonio e da idrocarburi leggeri come il metano.Tramite la gassificazione il carbone viene convertito, parzialmente o completamente, in combustibili gassosi, i quali, dopo essere stati purificati, vengono utilizzati come combustibili, materiali grezzi per processi chimici o per la produzione dei fertilizzanti, è questa una tecnologia che trova numerose applicazioni commerciali, ma è competitiva con la tecnologia SMR solo dove il costo del gas naturale è molto elevato (per esempio la Repubblica Popolare di Cina e il Sud Africa). Inoltre la gassificazione del carbone facilita il trasporto del combustibile.1(

(

) Nm3, simbolo che indica un metro cubo di gas misurato alle condizioni, dette normali, di pressione pari a 1 bar e di 25°C.

La produzione da fonti fossili, però, ha l’inconveniente di dar luogo – come prodotto di scarto – all’emissione di grandi quantità di CO2, cosicché l’idrogeno – pur utilizzabile in modo pulito – non è comunque incolpevole a causa dell’inquinamento prodotto nel suo ciclo di estrazione.Per ovviare a ciò occorrerebbe raccogliere e confinare (ovvero immagazzinare in giacimenti geologici per impedire la reimmisione in atmosfera) la CO2 prodotta nei grossi impianti, sfruttando l’esperienza in materia delle compagnie petrolifere. Per queste si può ipotizzare anche una parziale riconversione che consenta di produrre idrogeno dagli idrocarburi, idrogeno che verrebbe poi utilizzato negli autoveicoli (conservando peraltro il profitto per le compagnie).Dal punto di vista ambientale, questa soluzione ha il vantaggio di evitare le emissioni di CO2 di una miriade di veicoli sparsi sul territorio, concentrandole negli impianti petrolchimici da dove però potrebbero essere catturate con opportuni filtri, trasformate in forma liquida o solida e poi immagazzinate in giacimenti geologici profondi e di caratteristiche adeguate che ne dovrebbero impedire la reimmisione in atmosfera. Nel nostro paese, come in altri, le opzioni principali sono due: 1.pompaggio nei giacimenti esauriti di gas e petrolio; 2.immissione nei cosiddetti acquiferi salini (ammassi di rocce sedimentarie porose permeabili e sature d’acqua) e in fondali oceanici situati a grande profondità (oltre 1.000 m sotto il livello del mare) dove la CO2 si manterrebbe allo stato liquido a causa dell’enorme pressione ivi esistente.

17.2.2FONTI RINNOVABILI

IDROLISI DELL’ACQUA: Esistono vari processi per ottenere idrogeno dall’acqua:Elettrolisi dell’acqua (H2 O): questo è sicuramente il processo più maturo per la produzione industriale, e sono stati costruiti alcuni grandi impianti nelle vicinanze di centrali idroelettriche che producono elettricità a basso costo.E’ importante però ricordare che, dalla produzione di idrogeno mediante tale processo elettrolitico si ottiene anche ossigeno puro (O2), da utilizzare in diversi modi. L'elettrolisi è il metodo più comune per la produzione di idrogeno anche se incontra notevoli ostacoli per la quantità limitata di idrogeno prodotta e per i costi, ancora troppo elevati, dovuti all'impiego di energia elettrica per ottenere tale effetto . La produzione di grandi quantità è pertanto economica solo in quei paesi dove l’elettricità può essere generata a costi convenienti, per esempio in Egitto, Islanda e Norvegia, dove la maggior parte dell’energia elettrica viene generata in centrali idroelettriche.Attualmente, solo il 4% della produzione mondiale di idrogeno avviene per elettrolisi dell'acqua e solo

per soddisfare richieste limitate di idrogeno, che però ha il vantaggio di essere estremamente puro.Il sistema dell’elettrolisi presenta anche alcuni svantaggi:• il costo per la produzione dell'idrogeno dall'elettrolisi è più alto rispetto a

qualsiasi altra tecnologia;• l'idrogeno attualmente viene prodotto in sito e su domanda, vengono quindi

trascurati i costi di immagazzinaggio e trasporto, che renderebbero il prezzo dell'idrogeno "consegnato", anche se in quantità ridotte, ancor meno competitivo.

Il principio:La decomposizione di acqua (H2O) in idrogeno e ossigeno per mezzo di elettrolisi viene realizzata in celle elettrolitiche (elettrolizzatori) che sono recipienti contenenti l’elettrolita e divisi in due compartimenti da un diaframma microporoso in grado di far passare ioni. Nel nostro caso l’elettrolita è l’acqua, ma in pratica si tratta di una soluzione acquosa di idrossido di sodio che ha migliori proprietà elettriche.

Nell’elettrolita sono immersi due elettrodi (conduttori metallici) collegati ai poli ad un generatore (una pila o un accumulatore: quindi corrente elettrica continua). L’elettrodo, collegato al polo positivo, cioè l’ anodo, e quello collegato al polo negativo, cioè il catodo, sotto l’azione del campo elettrico continuo generato dagli elettrodi, fanno sì che gli ioni presenti nell’elettrolita (acqua) migrano, ciascuno verso i poli di segno opposto: quelli di carica positiva (cationi) verso il catodo, quelli di carica negativa (anioni) verso l’anodo.

Giunti a contatto con il catodo, i cationi acquistano elettroni e formano specie neutre. Gli anioni, giunti a contatto con l’anodo, cedono elettroni (cioè si ossidano) formando analogamente specie neutre. L’idrogeno (H2) si accumula quindi dalla parte del catodo e l’ossigeno (O2) da quella dell’anodo.

cat 2H3O+ + 2e- 2H2O + H2

2H2O H3O+ + OH-

Dissoluzione an 2OH- H2O + ½ O2

dell’acqua

Usando come sorgente elettrica pannelli fotovoltaici o generatori eolici si pone il problema della discontinuità dell’alimentazione, ma i moderni elettrolizzatori hanno un comportamento dinamico e si adeguano al flusso discontinuo di energia elettrica, pertanto possono in teoria essere facilmente combinati con sistemi che usano fonti rinnovabili.

Fotolisi: Essa si propone di ottenere la dissociazione della molecola dell’acqua fornendo l’energia necessaria sotto forma di radiazioni luminose solari. Per quanto riguarda le applicazioni fotolitiche si sono fatti per ora solo alcuni esperimenti usando come elettrodo un fotoelettrodo di rutilio o titanio.

IDROGENO DALLE BIOMASSE:Le tecnologie per ottenere idrogeno dalle biomasse non sono ancora in commercio e sono ancora in fase di ricerca e sviluppo. Gli esperti fanno questa distinzione tra i vari metodi:- conversione di biomasse solide (palline da coltivazione, residui di biomassa),- fermentazione di biomassa liquida, e generazione biologica di idrogeno.La cosa più interessante riguardo al fatto di generare idrogeno direttamente da biomasse e’ che laproduzione di idrogeno deriva direttamente da fonti energetiche rinnovabili senza dovere convertirel’energia contenuta nelle biomasse in elettricità (per la qual trasformazione sarebbe necessario ilprocesso di elettrolisi).

GASSIFICAZIONE DI BIOMASSA:Il processo termico di riduzione della biomassa in vapore acqueo(gassificazione) genera una miscela di gas che è composta da:• 20% idrogeno• 20% monossido di carbonio CO• 10% biossido di carbonio CO2

• 5% metano• 45% azotoUsando ossigeno puro o solo vapore acqueo il gas prodotto non contiene azoto.In questo processo, a causa del calore, le sostanze organiche si decompongono in coke, condensato e gas di vario tipo.Il processo è chiamato decomposizione termica o pirolisi: a causa della presenza di ossigeno nelreattore. I prodotti intermedi non sono trasformati, ma avviene una parziale ossidazione. In unaseconda fase della reazione il monossido di carbonio insieme al vapore acqueo viene trasformato in

idrogeno e biossido di carbonio. Dopo ciò la miscela di gas viene scissa in un processo pressione-rotazione-assorbimento in idrogeno puro e gas residuali.

FERMENTAZIONE DI BIOMASSA:Da biomassa molto umida e da liquame, il biogas può essere prodotto tramite una fermentazione anaerobica. Nonostante il biogas contenga elevate frazioni di monossido di carbonio e di metano e poco idrogeno, può essere utilizzato ugualmente in celle a combustibile ad alta temperatura (MCFC). In questo caso, agevolato dall’alta temperatura (circa 650 °C), il reforming del metano avviene direttamente a contatto con l’elettrodo. Prima dell’uso in celle a combustibile PEM, il gas deve essere trasformato in idrogeno in un processo di reforming.

IDROGENO DA ETANOLO:Alcuni scienziati statunitensi dell’Università del Minnesota hanno ultimamente presentato, nella rivista “Science” (febbraio 2004), un reattore portatile che trasforma alcool in idrogeno. L’apparecchio ecologico potrebbe rivoluzionare il trasporto di energia. Il reattore usa etanolo, un alcool ottenuto da biomassa (patate, grano e mais) e facilmente trasportabile. Nella trasformazione di etanolo in idrogeno si forma anche biossido di carbonio, ma la quantità di CO2 è la stessa che le piante hanno assorbito dall’atmosfera durante la loro crescita. Come spiega il suo inventore Gregg Deluga, il nuovo reattore è piccolo, portatile e contiene già l’energia necessaria. In una prima fase, una parte dell’etanolo viene bruciata per ottenere la temperatura necessaria alla reazione. Abbinato ad una cella a combustibile, l’apparecchio sviluppa una potenza di un chilowatt (1 kW). La struttura dell’apparecchio è semplice: tramite una valvola viene iniettata una miscela di acqua ed etanolo nella camera preriscaldata dove il liquido evapora e si mescola con l’aria. Un catalizzatore di rodio e di cerio trasforma poi la miscela in idrogeno e biossido di carbonio. Secondo i ricercatori, oltre il 95 % dell’etanolo viene trasformato in idrogeno. La durata del contatto con il catalizzatore ammonta solo ad un centesimo di secondo e questo consente la produzione di grandi quantità di idrogeno. Nella reazione si forma però anche monossido di carbonio non sopportato dalle celle a combustibile previste per applicazioni mobili, per esempio in automobili. Altri metodi di produzione:La fotoconversione associa un sistema di assorbimento della luce solare ed un catalizzatore per la scissione dell'acqua. Questo processo usa l'energia della luce senza passare attraverso la produzione separata di elettricità richiesta dall'elettrolisi. Ci sono varie classificazioni principali di tecnologie:tecnologie fotobiologiche;tecnologie fotoelettrochimico;

centrali fotovoltaiche ad idrogeno.

17.3 Tecnologie fotobiologicheI processi di produzione fotobiologici riguardano la generazione dell'idrogeno da sistemi biologici, che usano generalmente la luce solare. Questo è possibile perché alcune alghe e batteri sono in grado di produrre idrogeno sotto specifiche condizioni. I pigmenti delle alghe assorbono l'energia solare e gli enzimi nella cellula agiscono da catalizzatori per scindere l'acqua nei suoi componenti di idrogeno e ossigeno.

17.4 Tecnologie fotoelettrochimicheI sistemi fotoelettrochimici usano elettrodi semiconduttori in una cella fotoelettrochimica per convertire energia ottica in energia chimica. Esistono due tipologie di tali sistemi: tecnologia che usa semiconduttori.Un materiale semiconduttore è utilizzato sia per assorbire l'energia solare sia per agire da elettrodo per la scissione dell'acqua. Si possono ottenere efficienze ancora più elevate con l'aggiunta di una carica elettrica esterna per facilitare la reazione chimica.tecnologia che usa metalli complessi dissolti.Il secondo tipo di sistemi fotoelettrochimici usa materiali complessi dissolti come catalizzatori. Il materiale complesso solubile assorbe energia e crea una separazione tramite carica elettrica che conduce alla reazione di scissione dell'acqua.Un altro esempio dell’interazione tre energia solare e produzione dell’idrogeno è fornito dalle centrali fotovoltaiche a idrogeno le quali costituiscono, attualmente, l’unico esempio fattibile di impiego di fonti rinnovabili per la produzione di idrogeno.

CENTRALI FOTOVOLTAICHE AD IDROGENONel campo della produzione di energia elettrica si prevede la produzione dell'energia dalla luce solare tramite una cella fotovoltaica la quale fornisce l'elettricità necessaria per la produzione d'idrogeno tramite elettrolisi.Tali sistemi rivestono interesse per i loro benefici ambientali ma due sono le principali barriere alla loro realizzazione:l'elettricità solare non trova sempre applicazione diretta, per esempio nei motori a combustione;l’elettricità è difficile e costosa da immagazzinare. Il vantaggio fondamentale dei sistemi fotovoltaici ad idrogeno è quello di soddisfare la richiesta di corrente continua necessaria per l'elettrolisi; sviluppare la potenzialità

dei sistemi fotovoltaici, tramite lo sviluppo di sistemi integrati, che comprendano, oltre al generatore fotovoltaico, anche un sistema di accumulo stagionale dell'energia previsto per particolari applicazioni o nicchie di mercato.17.5 STOCCAGGIO E TRASPORTO DELL’IDROGENO

COMPRESSIONE DELL’IDROGENO: l'idrogeno in forma gassosa può essere immagazzinato in appositi contenitori a pressioni molto alte, nell'ordine di 20 MPa (200 bar), attraverso adeguati compressori. Ciò necessita ulteriore energia e costi aggiuntivi, senza dimenticare che oltre a comprimerlo, l'idrogeno va mantenuto a tali pressioni.Per contenere il gas sono usate bombole in grafite/fibra di carbonio ad alta pressione, che hanno il difetto di essere molto voluminose, nonostante il loro peso relativamente esiguo. In alternativa l'idrogeno può essere immagazzinato, come gas compresso, all'aperto oppure sotto terra, in caverne. Quest'ultima metodologia è più o meno conveniente, in termini di costi, secondo che si sfruttino strutture preesistenti (miniere saline, pozzi di gas svuotati ecc.) o ne sia necessaria la loro creazione (pozzi artificiali ecc.).La pericolosità e' simile a quella del gas metano. L'idrogeno già a contatto con l'aria forma miscele esplosive che possono scoppiare, a differenza del metano però, grazie alla sua grande leggerezza, l'idrogeno si disperde prima, diminuendo il rischio di concentrazione critica.

LIQUEFAZIONE DELL’IDROGENO: i processi di liquefazione usano una combinazione di compressori, scambiatori di calore, motori di espansione e valvole a farfalla per ottenere il raffreddamento desiderato. Il processo di liquefazione più semplice è il ciclo Linde o ciclo di espansione Joule–Thompson. Tramite questo processo, il gas è compresso a pressione ambiente e quindi raffreddato in uno scambiatore di calore prima di passare attraverso una valvola in cui è sottoposto al processo di espansione Joule–Thompson producendo del liquido. Una volta rimosso il liquido il gas ritorna al compressore tramite lo scambiatore di calore. L'idrogeno può essere liquefatto sia per la produzione stazionaria di energia sia per il rifornimento di veicoli. Successivamente, nella maggior parte dei casi, viene immagazzinato ad una temperatura di -253 °C. L' inconveniente di questo sistema è l'eventuale fuoriuscita di parte dell'idrogeno liquido ed il notevole dispendio energetico dell’intero processo. Infatti circa il 30% dell’energia dell’idrogeno è necessaria per il suo raffreddamento, inoltre sono necessarie particolari attrezzature per il mantenimento dello stato liquido. Una delle preoccupazioni maggiori legate a questo processo quindi, è quella della riduzione delle fuoriuscite di liquido. Dato che l’idrogeno è immagazzinato ad una temperatura che corrisponde al suo punto di ebollizione, qualsiasi passaggio di calore attraverso il liquido causa l’evaporazione di una parte dell’idrogeno e qualsiasi evaporazione si riflette in una perdita dell’efficienza del sistema. La fonte di tale calore potrebbe essere la conversione

della configurazione elettronica delle molecole d’idrogeno da orto a para, l’energia del pompaggio, oppure la conduzione, convezione o irraggiamento diretto del calore.L’impiego di contenitori criogeni isolati invece, può far fronte al problema del calore generato per conduzione, convezione ed irraggiamento. Tali contenitori sono progettati in modo da evitare qualsiasi trasmissione di calore dalla parete esterna al liquido, per cui sono tutti costituiti da un doppio rivestimento il cui interno è vuoto per impedire il passaggio di calore per conduzione o convezione. Per prevenire l’irraggiamento diretto di calore invece, tra la parete interna ed esterna del contenitore sono installati dei pannelli protettivi a bassa emissione di calore a base di plastica ed alluminio. La maggior parte dei contenitori di idrogeno liquido hanno forma sferica perché quest’ultima ha la più bassa superficie per il trasferimento di calore per unità di volume. Inoltre, al crescere del diametro dei contenitori il volume aumenta più velocemente della superficie esterna per cui contenitori più grandi, in proporzione, provocano minori perdite per trasferimento di calore. I contenitori cilindrici, invece, sono preferibili per la loro facilità ed economicità di costruzione. Anche se sottoposto con cautela all’irraggiamento solare, una parte dell’idrogeno può evaporare ed essere destinata ad aumentare la pressione nel contenitore o riciclata nel processo di liquefazione oppure, in alcuni casi, semplicemente liberata. Riguardo questa tecnologia, il costo operativo maggiore è dovuto all'elettricità necessaria per la compressione per cui, attualmente, si stanno analizzando alcuni metodi per la riduzione della quantità di energia richiesta.Una delle possibili soluzioni, la liquefazione magnetica, è in fase di sviluppo. Per quanto riguarda il rifornimento di veicoli, quello dell'idrogeno liquefatto potrebbe sembrare uno dei metodi più adatti.Comunque bisogna considerare i notevoli rischi legati, solo per fare un esempio, alle perdite di carburante o ai problemi di sicurezza dovuti allo spazio ristretto a disposizione dei parcheggi. Inoltre, si stanno progettando dei serbatoi ad alta pressione leggeri ed impermeabili all’idrogeno. Lo scopo è quello di utilizzare tali serbatoi in spazi ristretti ed in particolare a bordo di veicoli. Basato sul principio fisico che i cilindri siano efficienti nel contenere la pressione interna, questi serbatoi sono costituiti da più cilindri congiunti, con un reticolato rinforzato interno. Il risultato è quindi quello di un contenitore "multi-cella" il cui numero è ottimizzato in base al volume del liquido da immagazzinare. Con questo metodo è possibile immagazzinare il 50% di idrogeno in più rispetto all’uso di serbatoi tradizionali multipli. Attualmente sono stati già sperimentati i primi serbatoi formati da sole due celle.TRASPORTO DELL’IDROGENO COMPRESSO O LIQUEFATTO: l’idrogeno come gas compresso può essere trasportato in cilindri ad alta pressione, autocisterne e gasdotti . I cilindri ad alta pressione (40 MPa), pur consentendo un minore ingombro sono molto pericolosi da maneggiare e trasportare. Le autocisterne invece, sono spesso composte da diversi cilindri in acciaio montati su di un’intelaiatura protettiva e possono contenere da 63 kg a 460 kg di idrogeno compresso ad una pressione di soli 20 MPa.

Attualmente il trasporto ferroviario dell’idrogeno sotto questa forma non viene ancora effettuato, forse anche perché questo metodo comporterebbe la costruzione di particolari vagoni con materiali idonei al trasporto dell’idrogeno con conseguente notevole incremento dei costi di trasporto. L’idrogeno liquido immagazzinato in contenitori isolati, come già detto, viene trasportato tramite autocarri ed altri automezzi in quantità elevate e con modeste perdite per evaporazione (0,3%-0,6% al giorno). Per quanto riguarda il trasporto navale, a causa dei lunghi periodi di tempo che richiede, è impiegato solo per l'idrogeno liquido.UTILIZZO:Le due principali utilizzazioni previste in futuro per l’idrogeno e per cui si sta lavorando attualmente nei laboratori di ricerca applicata riguardano l’impiego come combustibile per la generazione di energia elettrica e per il trasporto. Impianti per la produzione centralizzata di energia elettrica e motori a combustione interna alimentati a idrogeno sono già fattibili sulla base delle tecnologie esistenti e anche con emissioni sensibilmente ridotte rispetto a quelle degli impianti convenzionali. Deve tuttavia essere ulteriormente migliorato il rendimento e abbassati i costi; per questo sono in corso di sperimentazione materiali e soluzioni innovative che dovrebbero arrivare a maturazione nel giro di alcuni anni. Ma lo strumento principale il cui sviluppo condizionerà pesantemente la reale affermazione dell’idrogeno come vettore energetico pulito è senza dubbio la cella a combustibile.17.6 DESCRIZIONE E FUNZIONAMENTO DELLA CELLA A COMBUSTIBILELe celle a combustibile sono dei sistemi elettrochimici capaci di convertire l'energia chimica di un combustibile (in genere idrogeno) direttamente in energia elettrica, senza l'intervento intermedio di un ciclo termico e di organi meccanici in movimento, e pertanto presentano rendimenti di conversione più elevati rispetto a quelli delle macchine termiche convenzionali. Una singola cella produce normalmente circa 0.7 V, quindi per ottenere la potenza e il voltaggio desiderato più celle sono disposte in serie, a mezzo di piatti bipolari, a formare il cosiddetto "stack”. Gli stack a loro volta sono assemblati in moduli, per ottenere generatori della potenza richiesta.

Una cella a combustibile funziona in modo analogo a una batteria, in quanto produce energia elettrica attraverso un processo elettrochimico, a differenza di quest'ultima tuttavia consuma sostanze provenienti dall'esterno ed è quindi in grado di funzionare senza interruzioni, finché al sistema viene fornito combustibile (idrogeno) e ossidante (ossigeno o aria), mentre la batteria deve essere ricaricata. Una FC non immagazzina energia al suo interno e non si scarica come succede alla batteria; essa converte

direttamente il combustibile in energia elettrica, mentre la batteria deve rifornirsi di energia elettrica da una fonte esterna.La cella è composta da due elettrodi in materiale poroso, separati da un elettrolita. Gli elettrodi fungono da siti catalitici per le reazioni di cella che consumano fondamentalmente idrogeno e ossigeno, con produzione di acqua e passaggio di corrente elettrica nel circuito esterno (ad esempio una lampadina o un motore).L'elettrolita ha la funzione di condurre gli ioni prodotti da una reazione e consumati dall'altra, chiudendo il circuito elettrico all'interno della cella. La trasformazione elettrochimica è accompagnata da produzione di calore, che è necessario estrarre per mantenere costante la temperatura.Esistono diverse tecnologie di cella, con diverse caratteristiche e grado di sviluppo.Normalmente le celle vengono classificate sulla base dell'elettrolita utilizzato (celle alcaline, a elettrolita polimerico, ad acido fosforico, a carbonati fusi, a ossidi solidi) o in base alla temperatura di funzionamento (celle a bassa e alta temperatura).L'elettrolita determina o condiziona fortemente:· il campo di temperatura operativo;· il tipo di ioni e la direzione in cui diffondono attraverso la cella;· la natura dei materiali costruttivi;· la composizione dei gas reagenti;· le modalità di smaltimento dei prodotti di reazione;· le caratteristiche di resistenza meccanica e di utilizzo;· la vita della cella.17.6.1 PRINCIPALI TIPI DI CELLE

• Celle alcaline (AFC, Alkaline Fuel Cell), che usano un elettrolita costituito da idrossido di potassio ed operano a temperature intorno a 120°C. Hanno raggiunto un buon grado di maturità tecnologica soprattutto per usi speciali (applicazioni militari e spaziali); Le loro caratteristiche (richiedono gas di alimentazione estremamente puri) ne hanno limitato fortemente la diffusione, tanto che oggi non vi sono programmi di sviluppo in corso• Celle ad elettrolita polimerico(PEFC, Polymer Electrolyte FuelCell), che usano come elettrolita una membrana polimerica ad elevata conducibilità protonica e funzionano a temperature comprese tra 70 e 100 °C; sono sviluppate soprattutto per la trazione e la generazione/cogenerazione di piccola taglia (1-250 kW)• Celle ad acido fosforico (PAFC, Phosphoric Acid Fuel Cell), che operano a temperature prossime ai 200 °C con un elettrolita costituito da una soluzione concentrata di acido fosforico; rappresentano la tecnologia più matura per gli usi

stazionari, con commercializzazione già avviata per le applicazioni di cogenerazione nei settori residenziale e terziario (100-200 kW)• Celle a carbonati fusi (MCFC, Molten Carbonate Fuel Cell), che usano come elettrolita una soluzione di carbonati alcalini fusa alla temperatura di funzionamento della cella (650 °C) e contenuta in una matrice ceramica porosa; sono promettenti soprattutto per la generazione di energia elettrica e la cogenerazione da qualche centinaio di kW ad alcune decine di MW• Celle ad ossidi solidi (SOFC, Solid Oxide Fuel Cell), che funzionano a temperatura elevata (circa 900-1000 °C) per assicurare una conducibilità sufficiente all’elettrolita, costituito da materiale ceramico (ossido di zirconio drogato con ossido di ittrio); come le celle a carbonati, sono promettenti soprattutto per la generazione di energia elettrica e la cogenerazione da qualche kW ad alcune decine di MW• Celle a metanolo diretto (DMFC, Direct Methanol Fuel Cell), che operano a temperature tra 70 e 120 °C e come le PEFC utilizzano come elettrolita una membrana polimerica. Sono ancora nello stadio di ricerca di laboratorio. Nella figura è riportato lo schema di funzionamento dei vari tipi di celle.

IMPIANTI CON CELLE A COMBUSTIBILEGli impianti con celle a combustibile sono costituiti da 3 sezioni principali:1. una sezione di trattamento del combustibile (gas naturale, metanolo, olio combustibile, carbone), che converte lo stesso in un gas di sintesi contenente idrogeno, purificato secondo le necessità imposte dal tipo di cella. Raramente l’idrogeno, nonostante sia l’elemento più abbondante dell’universo, è disponibile nella sua forma pura. Dunque la FC è dotata di un reformer per ottenere idrogeno da combustibili fossili ricchi di idrogeno.

La produzione di idrogeno viene ottenuta con sistemi che utilizzano processi di steam reforming, ossidazione parziale, ecc. Il processo normalmente impiegato quando si parte da idrocarburi leggeri (metano) è quello di reforming catalitico con vapore, seguito da conversione dell'ossido di carbonio:Cn Hm + n H2O = n CO + (m/2 + n) H2n CO + n H2O = n CO2 + n H2Il processo di reforming comporta l’emissione di CO2, in una quantità che è la metà di quella generata dai tradizionali metodi di produzione di energia elettrica, e di NO in tracce.Nel processo occorre adottare condizioni di reazione che prevengano la formazione di composti indesiderati (es. formazione di carbone) che comprometterebbero l'efficienza del processo stesso.Questa sezione non è presente se si utilizza idrogeno, se si impiegano celle ad alta temperatura (MCFC e SCIFC) in cui la riforma del combustibile avviene all'interno della cella stessa o nel caso di celle a metanolo diretto (DMFC);2. una sezione elettrochimica, costituita dalle celle che producono energia elettrica per via elettrochimica attraverso una reazione tra idrogeno alimentato all’anodo e ossigeno alimentato al catodo; la trasformazione elettrochimica è accompagnata da produzione di calore;3. un sistema di condizionamento della potenza elettrica, noto come “power conditioning equipment”, che trasforma l'energia, prodotta sotto forma di corrente elettrica continua, in corrente alternata di opportune caratteristiche.Inoltre converte la potenza DC a basso voltaggio in potenza AC ad alto voltaggio, che viene utilizzata nelle case ed impiega una batteria per soddisfare il picco dei fabbisogni energetici a cui la cella non può far fronte. Infine consente il controllo della frequenza della corrente e mantiene le armoniche ad un livello accettabile.

Completano l'impianto un sistema di regolazione e di recupero del calore, che può essere utilizzato sia all'interno dell'impianto (ad esempio, per il reattore di conversione del combustibile), che per utenze esterne di cogenerazione e un sistema di controllo che assicura il coordinamento delle diverse sezioni dell'impianto.

Analizziamo il funzionamento di una FC di tipo PEM (PROTON EXCHANGE MEMBRANE).Dopo che il reformer ha prodotto l’idrogeno, la FC combina l’ossigeno contenuto nell’aria con l’idrogeno per ottenere energia elettrica e acqua.L’idrogeno è alimentato all’anodo della FC, dove si trova un catalizzatore, solitamente platino, che ha la funzione di separare gli elettroni carichi negativamente dall’idrogeno, i quali confluiscono all’esterno della FC attraverso un circuito esterno come una lampadina o un motore. I cationi (H+) dell’idrogeno attraversano la FC contenente una soluzione elettrolitica fino a raggiungere il catodo.Qui si ricongiungono gli idrogenioni (H+), gli elettroni provenienti dal circuito esterno e l’ossigeno alimentato al catodo. I coprodotti della reazione elettrochimica, chiamata idrolisi inversa, sono vapore acqueo, calore ed energia elettrica. Teoricamente il vapore acqueo potrebbe essere riciclato per produrre idrogeno e il calore potrebbe essere usato per riscaldare.L’efficienza della FC è superiore a quella della combustione, che sappiamo essere limitata dalla legge di Carnot. L’efficienza delle FC varia dal 35% al 90%. Impurezze presenti nei gas di alimentazioni riducono le prestazioni di cella.La produzione di idrogeno (H2) da fonti energetiche fossili (ligniti, carbone, petrolio, gas naturale) si giustifica unicamente se l’anidride carbonica (CO2) viene sequestrata nell’ambito del processo di reforming. In caso contrario il processo “fonte fossile - idrogeno - motore a combustione interna” peggiora nettamente l’impatto ambientale. Il consumo di energia primaria rimarrebbe pressoché pari a quello attuale scegliendo il percorso “fonte fossile - idrogeno - cella a combustibile”. La sequestrazione della CO2 resta pertanto una condizione “sine qua non”. Oggi l’unico percorso meritevole di attenzione sia dal punto di vista ecologico che da quello economico e politico è il

seguente: “energia idroelettrica - idrogeno (elettrolisi) - cella a combustibile”. Si potrebbe pure partire dall’energia nucleare, ma in questo caso il consenso socio politico non sarebbe scontato. Il percorso “nuove energie rinnovabili (fotovoltaico, eolico, biomassa, geotermia) - idrogeno - cella a combustibile” è interessante dal punto di vista ecologico, ma rischia di rimanere ancora per lungo tempo proibitivo dal punto di vista economico. E l’aspetto economico resta un criterio fondamentale nell’ambito dello sviluppo sostenibile. È pure necessario poter disporre di dati ecologici ed economici affidabili per quanto riguarda la gestione dell’idrogeno (compressione, liquefazione, immagazzinamento, trasporto, sicurezza). Tutte queste considerazioni invitano a diffidare di fronte a chi presenta l’idrogeno come la soluzione definitiva ai problemi energetici mondiali, ma ciò non significa che si debba restare passivi. Bisogna fare ancora molta ricerca e migliorare le tecnologie prima di poter fornire risposte univoche e certe sul futuro dell’idrogeno.

La produzione di idrogeno e la successiva produzione di elettricità mediante cella a combustibile (energia immessa alla fonte 56.3 kWh/kgH2). Emissioni specifiche di CO2.

17.7 COSTIUno dei primi a proporre un’economia mondiale basata sull’idrogeno è stato Cesare Marchetti verso gli anni '60 e '70. Marchetti stesso tuttavia, faceva notare come la sostituzione di una tecnologia con un altra richiede tempi lunghi e coinvolge enormi costi, soprattutto se lasciata unicamente alle cosiddette “forze del mercato”. Marchetti riteneva che i tempi naturali di sostituzione del petrolio con l’idrogeno fossero dell’ordine dei 50-100 anni e aveva probabilmente ragione perchè nonostante le crisi

energetiche degli anni 70 non si è fatto quasi nulla a questo proposito. E’ una questione di costi e di volontà politica combinate. Per dare un’idea dei costi che abbiamo di fronte, verso la fine degli anni ‘80 si fece uno studio particolareggiato sulla possibilità di creare un grosso impianto solare fotovoltaico in Algeria per fornire energia elettrica a tutta la Germania del sud attraverso un idrogenodotto. Il costo totale dell’impresa veniva a essere qualcosa come 150-200 miliardi di Euro. In se, non è una cifra assurda, come ordine di grandezza corrisponde più o meno al costo delle spese militari annuali dei paesi dell’Unione Europea. Se somme di questo genere fossero dirottate sull’energia con uno sforzo coordinato da tutti i paesi europei, in 10-20 anni potremmo mettere in piedi una struttura di base che ci metterebbe al riparo dalle future crisi energetiche. In termini più generali, il passaggio completo all'economia all'idrogeno a livello planetario potrebbe costare qualcosa dai 10 mila ai 50 mila miliardi di dollari all'umanità. Questa è una cifra immensa, ma che potrebbe essere sopportabile se diluita in 20-30 anni, nel qual caso sarebbe dello stesso ordine di grandezza delle spese militari mondiali.

17.8 RICERCA E SVILUPPO

ALL’ESTEROI principali Paesi industrializzati nel mondo, in particolare Stati Uniti, Giappone, Unione Europea hanno tutti programmi di ricerca e sviluppo in corso, sia a breve che a medio termine, finalizzati a perfezionare la tecnologia delle celle e ad introdurre lo sfruttamento dell’idrogeno nella produzione di energia nel giro di alcuni anni. A livello europeo, nell’ottobre 2002, è stato costituito un gruppo di esperti composto da rappresentanti di grandi industrie del settore automobilistico ed energetico, dei servizi pubblici, di istituti di ricerca, con il compito di definire un programma e le priorità per promuovere la diffusione e l’utilizzo dell’idrogeno. Nel giugno 2003 a Bruxelles è stato da questi presentato un documento sulla “Visione Europea” che, di pari passo con lo sviluppo delle celle a combustibile e delle tecnologie correlate, prevede che intorno al 2050 l’idrogeno prodotto da fonti rinnovabili rivestirà un ruolo importante nella produzione di energia.

IN ITALIA In Italia, da un punto di vista energetico, la disponibilità di un vettore flessibile e pulito prodotto a partire da fonti diversificate, sia fossili che rinnovabili, è di estremo interesse per il nostro Paese, vista la sua dipendenza dalle importazioni di gas e di petrolio e l’estrema vulnerabilità del sistema elettrico in caso di aumento dei consumi o di difficoltà di importazione dell’energia. Analogo interesse rivestono i risvolti ambientali connessi con tale scelta che potranno favorire il conseguimento degli obiettivi previsti dal Protocollo di Kyoto e dare un contributo significativo alla riduzione dell’inquinamento locale.

In particolare l’impiego dell’idrogeno nei trasporti contribuirebbe a migliorare la qualità dell’aria nei centri urbani che, nonostante i grandi progressi realizzati e attesi nei veicoli convenzionali e nei relativi sistemi di abbattimento, ancora presenta delle criticità (smog fotochimico, particolato, poliaromatici, ecc.). Infine, per ultimo ma non ultimo, tutti questi benefici si combinano anche con gli interessi dell’industria nazionale: l’essere presenti nel mercato che si aprirà di qui a pochi anni è indispensabile per aspirare a una posizione competitiva in questo business. D’altra parte, gli ingenti investimenti necessari richiedono il coinvolgimento attivo e convinto dei principali attori nazionali interessati (governo, società energetiche, industrie, utenti, strutture di ricerca); inoltre le numerose competenze necessarie e i diversi interessi coinvolti devono essere gestite in un quadro organico e unitario, che persegua in maniera coordinata obiettivi di interesse strategico per il Paese, avvalendosi anche di collaborazioni internazionali. Alcuni sistemi di celle a elettrolita polimerico a cui sta lavorando attualmente l’ENEA:

Sistema da 15kWe a gas naturale (1999-2003) MIUR L:95/95.Partner: CNR-IT, Nuvera Fuel Cells Europe, Politecnico di Milano,Università di Roma Genova e Torino.

Realizzazione e sperimentazione di un sistema a propulsione a idrogeno da 30 kW di tipo ibrido con celle a combustibile (PEFC 5 kW) per trazione. Prototipi di diversa taglia (portatile da 150W, unità da 300W per bicicletta elettrica).

Riassumendo, le attività previste in Italia per il breve-medio termine riguarderanno:

per la produzione: • la generazione di idrogeno pulito a partire da

combustibili fossili; • la valutazione e la fattibilità delle opzioni disponibili

per il confinamento della CO2; • la produzione da fonti rinnovabili, in particolare

dall’energia solare; • la messa a punto di sistemi di trasporto e distribuzione; la creazione di una rete di

infrastrutture e di stoccaggio; per l’utilizzazione: • la generazione di energia elettrica stazionaria, sia centralizzata in impianti di taglia

industriale, sia distribuita in sistemi portatili e per utenze familiari; • lo sviluppo di autoveicoli funzionanti a idrogeno.

18 POMPE DI CALORE

Questi sistemi si possono usare sia per raffreddare che per riscaldare, ma ci sono alcune condizioni che devono essere soddisfatte per poterle usare efficientemente. Ad esempio questi impianti funzionano meglio in climi caldi come quelli dell'Italia centro-meridionale.Una pompa di calore è in sostanza un gruppo frigorifero, di cui per l’estate (condizionamento) si utilizza il calore di evaporazione (Qe), mentre per l’inverno (riscaldamento) il calore di condensazione (Qc).Un gruppo frigorifero è composto da quattro elementi principali , cioè : un compressore che aumenta la pressione del fluido , due scambiatori di calore ( un condensatore ed un evaporatore) , e da una valvola di espansione che abbassa la pressione .Il ciclo frigorifero consiste nel fornire lavoro e sottrarre calore all'evaporatore per cederlo alla sorgente a temperatura più alta tramite il condensatore.Il fluido frigorigeno in genere è costituito da elementi della catena del freon (tipo Rx). Fino a poco tempo fa veniva molto usato come elemento frigorigeno il freon 22 (R22) che, però ora è stato messo al bando (protocollo di Kyoto).Il compressore , azionato in genere dall'energia elettrica , comprime il gas da p1 ad una pressione maggiore p2, compiendo lavoro, e lo scalda . Dal compressore esce , dunque , gas compresso e caldo, allo stato fisico di vapore surriscaldato, per poi raggiungere il condensatore, ossia uno scambiatore di calore alettato, in cui il gas , che vi giunge più caldo dell'ambiente esterno , cede la quantità di calore latente Qc condensando.Dal condensatore, dunque, esce liquido alla pressione maggiore delle due di funzionamento . A questo punto si fa passare il liquido attraverso una valvola di espansione, che funziona come quelle delle bombolette spray, dove all’interno il fluido è liquido e mentre esce dalla valvola , vaporizza .Ora il fluido ha minore pressione ed è quasi tutto liquido con una parte di vapore, ed è in questa condizione che raggiunge il secondo scambiatore alettato, ossia l'evaporatore.Attraverso l'evaporatore il fluido riceve la quantità di calore Qe dall'esterno (es. calore dai cibi, dall’aria esterna), dove la temperatura è maggiore, e in virtù di questo calore latente, esso evapora di nuovo , ma alla pressione minore.A questo punto ho del gas caldo a bassa pressione che è pronto a ricominciare il ciclo passando attraverso il compressore.In realtà è lo stesso ciclo del frigorifero di casa, anche se il processo è leggermente diverso , infatti sono le bevande ed i cibi caldi a cedere il loro calore al fluido , facendolo vaporizzare nell’evaporatore, invece nel condensatore a sua volta cede il calore di condensazione all'ambiente. Dunque in questo processo avviene un doppio

scambio termico nei due scambiatori di calore (evaporatore e condensatore) , in genere alettati .L'effetto utile o frigorigeno nel ciclo frigorifero, dunque, è il rapporto tra il risultato ottenuto (Qe) e la spesa (L) :

La pompa di calore si può considerare come lo stesso ciclo frigorifero , di cui , però , si usa il calore prodotto (Qc) . Dunque la macchina è sempre la stessa , solo che in estate si usa per raffreddare e in inverno per riscaldare.Della pompa di calore si può misurare il coefficiente di prestazione : C.O.P. = Qc / L = 1+ηLe pompe di calore, frigorifero a ciclo reversibile, permettono tramite una valvola a quattro vie regolabile, di decidere se farle funzionare per scaldare o per raffreddare , senza nulla cambiare se non mutando la posizione di una valvola , che cambia il flusso del fluido frigorigeno.In una stagione (estate) fornirò acqua refrigerata, dall’evaporatore, a 10° C , e nell'altra acqua dal condensatore a 35° C.L'impianto è esattamente lo stesso , si cambia semplicemente il verso con un pulsante che agisce sulla valvola a quattro vie.L’ uso della pompa di calore è molto importante perché consente di ottenere un doppio servizio :riscaldamento in inverno e raffreddamento in estate con la stessa macchina frigorifera e con lo stesso impianto di utilizzazione (ad aria o con ventilconvettori).E' importante ricordare , però , che la pompa di calore funziona bene in climi abbastanza miti (es. Italia Centro Meridionale) , e che tale sistema è in genere conveniente solo se adottato in situazioni d'uso in cui si usa sia per riscaldare che per raffreddare , e non dove serve per uno solo di questi scopi.Ma come si influenza il rendimento di queste macchine?

Il C.O.P. massimo sarebbe quello ottenibile nel ciclo di Carnot , cioè Con Te e Tc rispettivamente temp. Kelvin dell’evaporatore , o sorgente fredda , e del condensatore , o calda.La pompa di calore è vantaggiosa se Tc-Te è un valore piccolo, ed in particolare se la sorgente fredda ha una temperatura Te relativamente alta , mentre Tc non è troppo elevata.Quindi, se ad esempio a Firenze, ho una temperatura invernale dell’aria esterna Te = 10°C = 283K, e Tc è 45°C (UTA, ventilconvettori) = 318K, allora C.O.P.max teor = 318 / (318-283) = circa 9 quindi spendendo 1 ne ricavo 9!

Questo teoricamente se la macchina fosse reversibile (Carnot) , in realtà, tenendo conto di tutte le irreversibilità presenti (attriti, passaggi di en. termica, ecc...) occorre ridurre tale valore di almeno il 65 % , quindi il COP reale = 3 – 3,5 , che è pure molto interessante sia dal punto di vista energetico che economico; A Milano , invece se Te=0°C =273K , Tc = 80° C = 353K (radiatore)

quindi C.O.P.max teor= = circa 4 , e quello reale 1,5 , molto meno, e non proponibile.Deve essere ben chiara la differenza fra C.O.P. teorici su macchine ideali di Carnot , e COP che nella realtà rispetto ai coefficienti teorici perdono sempre almeno i due terzi , e quindi per essere interessanti queste macchine, sia dal punto di vista energetico che economico, occorre che il loro COP reale sia almeno attorno a 3.Quelli ipotizzati erano scambiatori aria-aria , che usano , cioè , come sorgente fredda l'aria esterna , ma si possono anche usare altre fonti fredde , purché gratuite , quindi vanno bene anche l'acqua se si è vicini a corsi d'acqua, laghi, o al mare , i pozzi artesiani (se consentito!) o il terreno stesso. Anche il terreno dunque è ottimo come sorgente fredda perché sotto 1 m dalla superficie in un anno la variazione di temperatura massima è di circa 1-2°C , anche in funzione del tipo di terreno; dunque ci si mantiene sempre sui 15°C , durante l’intero anno, e quindi questa è una temperatura buona per un impianto a pompa di calore.Le pompe di calore, in conclusione , sono molto proponibili a tre condizioni:

- che ci sia la sorgente fredda con temperatura adatta (8 -15 °C) , gratuita e di grande capacità termica ,

- che la temperatura di utilizzo sia moderata (circa 40-50°C),

- che la situazione climatica del posto sia tale che i fabbisogni termici nelle stagioni opposte (inverno,estate) siano circa gli stessi e circa della stessa durata in termini di servizio richiesto in quella zona (es. Roma, Napoli) .