L’AUTOMOBILE AD IDROGENO: L’IDROGENO

1. L’AUTOMOBILE AD IDROGENO: L’IDROGENO • PROGETTO REALIZZATO DALL’IPIAS «A. ZOLI» DI ATRI (TE) IN COLLABORAZIONE CON LA FONDAZIONE TERCAS A.S. 2012/13 • Docenti: • Di Pietro Giuseppe • Sansonetti Ivano • Classi III A e IV A IPIAS

2. L'IDROGENO- CLASSE III A e IV A IPIAS Cos'è l'idrogeno: • È il primo elemento chimico della tavola periodica, ha come simbolo H e come numero atomico 1. • Allo stato elementare esiste sotto forma di molecola biatomica H2 e rappresenta l'elemento più abbondante dell'universo. • A pressione atmosferica e a temperatura ambiente è un gas incolore, inodore, altamente infiammabile. • Dopo l'elio è il gas più difficile da liquefare: è necessario raggiungere la temperatura di -259,2°C.

3. L'IDROGENO- CLASSE III A e IV A IPIAS Cos'è l'idrogeno: PROPRIETA' CHIMICHE

4. L'IDROGENO- CLASSE III A e IV A IPIAS Produzione dell'idrogeno Lo steam reforming di gas naturale e di idrocarburi leggeri è il processo più diffuso per produrre idrogeno e gas di sintesi. Si articola in diverse fasi: GAS NATURALE COMPRESSIONE DESOLFORAZIONE VAPORE REFORMING PRIM. ARIA REFORMING SEC. VAPORE CONVERSIONE DEL CO IN CO2 SEPARAZIONE CO2 CO2 METANAZIONE CICLO DI SINTESI NH3

5. L'IDROGENO- CLASSE III A e IV A IPIAS Produzione dell'idrogeno 1.Desolforazione Serve per eliminare i composti solforati dal gas naturale, in quanto essi costituiscono un veleno per i catalizzatori. La depurazione pùò essere condotta in vari modi in relazione al tipo e alla concentrazione dei composti solforati presenti.

6. L'IDROGENO- CLASSE III A e IV A IPIAS Produzione dell'idrogeno 1.Desolforazione Se si tratta di composti solforati neutri, si ricorre all’idrosolforazione su catalizzatori a base di ossidi di cobalto e molibdeno con trasformazione di tutti in H2S. Se H2S è presente in alte concentrazioni, viene separato per assorbimento con soluzioni alcaline. Per concentrazioni minori o per una ulteriore purificazione si usa l’adsorbimento su carbone attivo o ossido di zinco. Se la depurazione con ZnO viene condotta a caldo si eliminano zolfo e i mercaptani.

7. L'IDROGENO- CLASSE III A e IV A IPIAS Produzione dell'idrogeno 2. Reforming primario CH4 + H2O → CO + 3H2 La carica desolforata viene addizionata di vapore, e la reazione avviene su catalizzatori a base di nichel (supportato su allumina). Si opera a 700°C-900°C e sotto moderata pressione. Il vapore ha anche la funzione di inibire la formazione di depositi carboniosi. La conversione è limitata al 70%.

8. L'IDROGENO- CLASSE III A e IV A IPIAS Produzione dell'idrogeno 3. Reforming secondario CH4 + ½O2 →CO + 2H2 Si completa la conversione con l’aggiunta di aria. Si opera a 1000°C.

9. L'IDROGENO- CLASSE III A e IV A IPIAS Produzione dell'idrogeno 4. Conversione del CO in CO2 CO + H2O→ H2 + CO2 Tutto il carbonio sarà presente come CO, veleno per i catalizzatori, che deve essere allontanato convertendolo a CO2. Viene convertito a CO2 facendo reagire il CO con vapore ancora presente. Si opera inizialmente su catalizzatori a base di ossidi di ferro e cromo, poi in un secondo stadio, a su catalizzatori a base di Cr2O, ZnO e Al2O3. Si aggiunge altro vapore in eccesso per portare a completezza la reazione.

10. L'IDROGENO- CLASSE III A e IV A IPIAS Produzione dell'idrogeno 5. Separazione della CO2 Avviene per assorbimento con soluzioni alcaline. 6. Metanazione CO + 3H2 → CH4 + H2O CO2 + 4H2 → CH4 + 2H2O N2 +H2 + CH4→ puro di sintesi Serve per eliminare le impurezze costituite da CO e CO2 residui e da gas inerti (Ar).

11. LE FASI DELLA DIMINUZIONE DEI COSTI NELL’IMPIEGO DELL’IDROGENO (1) L'IDROGENO- CLASSE III A e IV A IPIAS INCREMENTO D’USO DELL’IDROGENO Si affineranno le tecnologie di produzione Miglioreranno le modalità di immagazzinamento La produzione attuale avviene principalmente con gli idrocarburi I costi della tecnologia dell’idrogeno si ridurranno H2 Ciò innescherà un incremento della domanda e i costi si ridurranno ulteriormente Produzione progressiva con l’elettrolisi generata da fonti rinnovabili Nel mondo si stanno compiendo grandi progressi per sviluppare le tecnologie competitive che impiegano l’idrogeno. Esistono già delle infrastrutture utilizzante questa fonte energetica lungo le coste Statunitensi e del Golfo del Messico ed inoltre nei Paesi Bassi. Si prevede un incremento dell’uso delle vetture dotate di celle a combustibile idrogeno fra il 2010 e il 2020.

12. LE FASI DELLA DIMINUZIONE DEI COSTI NELL’IMPIEGO DELL’IDROGENO (2) L'IDROGENO- CLASSE III A e IV A IPIAS Motore Otto o Diesel: rendimento massimo 30% Motore elettrico alimentato a celle a idrogeno: rendimento massimo 55% Automobile funzionante con motore elettrico alimentato dalla corrente prodotta da celle a combustibile a idrogeno. Dalla combinazione del motore suddetto con i sistemi elettronici di sterzo, accelerazione e freno, la tecnologia permetterà di suddividere un veicolo come segue: un sottostante telaio portante (supportante quanto sopra elencato) e un abitacolo spazioso sovrastante al telaio. In una stessa vettura potrebbero essere previsti più abitacoli intercambiabili per un medesimo telaio.

13. L'IDROGENO- CLASSE III A e IV A IPIAS SVILUPPO NEL TEMPO

14. L'IDROGENO- CLASSE III A e IV A IPIAS UN ESPERIMENTO MONDIALE IN ATTO IN ISLANDA L’isola ha deciso di convertire al nuovo carburante “idrogeno” l’intero trasporto pubblico entro il 2007. Il progetto, finanziato per il 51% dall’Islanda e per il rimanente dalla Shell, dalla Daimler-Chrysler e dalla Norsk Hydro, prevede di convertire alla nuova energia anche la flotta dei pescherecci del Paese. Per l’Islanda, ma anche per il mondo che guarda l’esperienza islandese, sarà un momento memorabile: una prima tappa verso l’abbandono dei prodotti derivati dal petrolio per garantire mobilità e trasporti. La scommessa è di quelle importanti, infatti l’idrogeno è un’energia rinnovabile, pulita e senza scorie velenose se prodotto a sua volta con energie rinnovabili (eolica, geotermica, …). Le celle a combustibile idrogeno funzionano producendo elettricità e rilasciando nell’aria esclusivamente vapore acqueo. Invece che annerire i polmoni, si appanneranno soltanto i vetri delle finestre. E’ questo un “cambio” fin troppo conveniente per non provarci e in Islanda hanno deciso di scommetterci il proprio futuro. L’obiettivo è quindi quello di fare dell’isola il primo paese “no-oil” del mondo.

15. CERCHIAMO DI INDIVIDUARE LE ALTERNATIVE AL PETROLIO IN TERMINI ENERGETICI L'IDROGENO- CLASSE III A e IV A IPIAS

16. L'IDROGENO- CLASSE III A e IV A IPIAS FUNZIONAMENTO DELLE CELLE A COMBUSTIBILE Celle Pulite Potenti Versatili Efficienti Motore elettrico 2H++ 2e- 2H2 Membrana Aria O2 H2O (vapore acqueo) (O2 + 2H2 2H2O) - - - - H+ H+ Serbatoio di H2 H2 H2 - 2e- 2H+ Ambiente esterno

17. L'IDROGENO- CLASSE III A e IV A IPIAS • AUTO CON MOTORE A IDROGENO 1886: Karl Benz inventò la prima auto con motore a idrogeno. La tecnologia automobilistica, migliorando il progetto di Benz, sta per dare inizio ad una rivoluzione nei trasporti. Essa prevede dei veicoli funzionanti con motori elettrici ed alimentati con: CELLE A COMBUSTIBILE A IDROGENO. L’uso dell’idrogeno al posto del petrolio renderà le automobili: • più ecologiche (economia energetica più “verde”); • più sicure; • meno costose; • più confortevoli.

18. L'IDROGENO- CLASSE III A e IV A IPIAS

19. L'IDROGENO- CLASSE III A e IV A IPIAS CENNI SULL’ELETTROLISI PER RICAVARE L’IDROGENO L’elettrolisi dell’acqua avviene in una cella elettrolitica. La tensione teorica minima da applicare ad una cella elettrolitica con elettrodi inerti di platino è di 1,23 [V]. Data la scarsa conducibilità elettrica dell’acqua pura, l’elettrolisi deve essere effettuata con l’aggiunta di opportuni elettroliti all’acqua. Normalmente si crea una soluzione acquosa leggermente acidula aggiungendo semplicemente qualche goccia di acido solforico (H2SO4) all’acqua. Lo schema di questo fenomeno è rappresentato nella diapositiva seguente.

20. L'IDROGENO- CLASSE III A e IV A IPIAS H2O SCHEMA DELL’ELETTROLISI Elettrolisi = trasformazione di energia elettrica in O2 H2 2H2O + energia elettrica 2H2 + O2 energia chimica - + V, I (A.C.) Generazione di tensione alternata t V, I (D.C.) Raddrizzamento della tensione alternata Alternatore t Risorse rinnovabili

21. L'IDROGENO- CLASSE III A e IV A IPIAS Elettrolisi Lo strumento principale che condizionerà Pesantemente la sua reale affermazione come Vettore energetico pulito è la cella a combustibile.

22. L'IDROGENO- CLASSE III A e IV A IPIAS IDROGENO COME UNA DELLE POSSIBILI SOLUZIONI DEL PROBLEMA MONDIALE DELL’ACQUA ? Celle a combustibile Motore elettrico Emissione nell’aria di vapore acqueo Raccolta di acqua liquida per i bisogni umani