IDROGENO ENERGIA PER IL FUTURO

1. IDROGENO ENERGIA PER IL FUTURO UNIVERSITÀ DI ROMA “TOR VERGATA” FACOLTÀ DI INGEGNERIA Corso di: CHIMICA PER L’ENERGIA Docente: prof. Paolesse Studente:

2. Fonti NON rinnovabili 90 % Fonti rinnovabili 10 % UTILIZZO ATTUALE RISORSE • Fonti NON Rinnovabili (combustibili fossili ): • Petrolio 40 % • Carbone 30 % • Gas Naturale 20 % • Fonti Rinnovabili : • Energia Eolica • Energia Idroelettrica • Energia Nucleare • Energia Geotermica • Biomassa • Idrogeno • Solare

3. Esaurimento dei giacimenti Immissione inquinanti primari CO2 NOx SOx HC incombusti CO Particolato fine Inquinanti Secondari Smog fotochimico PROBLEMI CONNESSI ALL’ USO DI COMBUSTIBILI FOSSILI

4. CO2 • Principale inquinante della combustione • Gas Serra

5. Eruzioni vulcaniche Incendi boschivi Respirazione animale Fotosintesi Oceani CICLO NATURALE DELLA CO2 280 ppm

6. EMISSIONI ANTROPICHEdall’inizio dell’era industriale VALORI ATTUALI370ppm (+ 30%)

7. IPCCIntergovernmental Panel on Climate Change 550 ppm 2080

8. EFFETTI INCREMENTOCO2 ATMOSFERICA • Incerti : mancanza di modelli matematici • Presumibile causa del “Global Warming” ΔT=0,6 °C dal 1861 ad oggi T media in crescita

9. CORSA AI RIPARI • Maggiore attenzione per l’ambiente • Nascita concetto “Sviluppo Sostenibile” “Lo sviluppo è sostenibile se soddisfa i bisogni delle generazioni presenti senza compromettere la possibilità per le generazioni future di soddisfare i propri bisogni” rapporto Burtland 1987 • Protocollo di Kyoto (1997) Impegno dei paesi industrializzati a ridurre le emissioni di GHG (GreenHouse Gas: CO2,CH4,N20,HFC,SF6…..)

10. 3 VIE PER RIDURRE EMISSIONI • Migliorare l’efficienza degli impianti attuali • buona soluzione a breve termine • Separazione e allontanamento della CO2 • decarbonatazione • via diretta (potenziando le capacità ecosistema : rimboschimento) • via indiretta (stoccaggio in appositi siti : oceani,cave sotterranee..) • Uso di combustibili alternativi • a basso tenore di C (gas naturale) • inevitabili emissioni CO2 • meno inquinante di altri combustibili fossili (CO2 ; PM ; SOx ; CO …) • esauribile • fonti rinnovabili

11. ANCORA NON COMPETITIVE CON I COMBUSTIBILI FOSSILI FONTI RINNOVABILI • Sviluppo ostacolato da: • Intermittenza della disponibilità • Costi elevati • Bassa densità di energia • Idroelettrica • Eolica • Geotermica • Nucleare • Biomassa • Solare • Idrogeno

12. IDROGENO • Gas (temperatura ambiente) incolore , insapore , inodore • Hydor + geno = generatore di acqua • Scoperto da Cavendish 1766 • Chiamato idrogeno da Lavoisier • Elemento più semplice • Elemento più leggero • Elemento più abbondante dell’Universo • Si trova quasi sempre combinato in molti composti (H20,HC,acidi) e libero in ridottissime quantità nell’atmosfera • Punto di ebollizione/liquefazione -253 °C • Punto di fusione/solidificazione -259 °C

13. Praticamente inesauribile Zero emissioni(H2O,NOx) Può essere prodotto da molte fonti (rinnovabili e non) Alta energia specifica(J/kg) Circa 2,5 volte più del CH4 Bassa densità energetica(J/l) Circa 3,2 volte minore del CH4 Infiammabile Esplosivo Molto reattivo Estremamente volatile Vantaggi & Svantaggi 1 Kg CH4 = 1478 l 1 Kg H2 = 11837 l ( 8volte CH4) T=15°C , p=1 atm

14. H2 CH4 BASSA DENSITA’ ENERGETICA • La stessa quantità di energia prodotta da V litri di CH4 richiede circa 3V litri di H2 nelle stesse condizioni di T e p

15. USI … • Per la sintesi di molte specie NH3,CH3OH,fabbricazione carburanti sintetici (processo Fischer – Tropsh (1932))

16. USI … passati • Per la sintesi di molte specie NH3,CH3OH,fabbricazione carburanti sintetici (processo Fischer – Tropsh (1932)) • Usato per gonfiare gli aerostati. Tragedia dell’ Hindenburg (1937) fu sostituito da He più pesante ma non infiammabile.

17. USI … presenti • Per la sintesi di molte specie NH3,CH3OH,fabbricazione carburanti sintetici (processo Fischer – Tropsh (1932)) • Usato per gonfiare gli aerostati. Tragedia dell’ Hindenburg (1937) fu sostituito da He più pesante ma non infiammabile. • Unico impiego attuale come combustibile nelle missioni spaziali NASA

18. USI …futuri • Per la sintesi di molte specie NH3,CH3OH,fabbricazione carburanti sintetici (processo Fischer – Tropsh (1932)) • Usato per gonfiare gli aerostati. Tragedia dell’ Hindenburg (1937) fu sostituito da He più pesante ma non infiammabile. • Unico impiego attuale come combustibile nelle missioni spaziali NASA • Celle a combustibile

19. OSTACOLI • Produzione • Distribuzione • Stoccaggio

20. PRODUZIONE …. • Reforming idrocarburi 67 % • Principalmente gas naturale • Elettrolisi 3 % • Gassificazione 30 % • Altri metodi • Foto conversione (energia solare) dell’ H2O mediante alghe e batteri • in fase di studio

21. Combustibili fossili Posso usare biomassa Bioetanolo Biogas CH3OH (specie per auto) Si produce CO2 Non conviene Sia economicamente Sia energeticamente Sia per l’inquinamento 1) CH4 + H2O -> CO + 3H2 (T=800°C, Ni) 2) CO + H20 -> CO2 + H2 (su catalizzatore) 1+2) CH4 + 2H20 -> CO2 + 4H2 REFORMING DI IDROCARBURI STEAM REFORMING Energia di 4 moli di H2 < Energia di 1 mole di CH4

22. Posso usare biomassa Pirolisi e successiva gassificazione della frazione solida (char) Produce CO2 1)C + H2O -> CO + H2 (T=1000°C, Ni) 2) CO + H20 -> CO2 + H2 (su catalizzatore) 1+2) C + 2H20 -> CO2 + 2H2 GASSIFICAZIONE DEL CARBONE

23. Produce H2puro Zero emissioni Posso usare energie alternative Solare Biomassa Nucleare Idroelettrica Eolica Costosa 4-5 kWh per 1m³ di H2 Per applicazioni speciali o di laboratorio DISSOCIAZIONE DELL’ H2O • Dissociazione elettrolitica • Dissociazione termica (3500 K)

24. … DISTRIBUZIONE … • Mediante Idrogeno-dotti: • gassoso • liquido • Posso usare • Condotte ad hoc • Metanodotti adattati (per compensare le diverse caratteristiche dell’idrogeno rispetto al metano) • 2000 km di rete in USA, Germania,Belgio ed Inghilterra

25. …. STOCCAGGIO • Idrogeno Compresso • Idrogeno Liquefatto • Idruri Metallici • Nano Tubi di Carbonio

26. IDROGENO COMPRESSO • Metodo più semplice (in commercio 200-250 bar) • Alte pressioni per compensare bassa densità energetica • Nuovi materiali • Resistenti ad alte p • Leggeri • Problemi di sicurezza

27. IDROGENO LIQUEFATTO • Portare e mantenere H2 a -273 °C • Necessità di super contenitori isolanti • Alto tasso di evaporazione • Pericoloso • Molto costoso

28. Sicuro Alta densità energetica 3-4 volte H2 compresso Pesanti Costo Possono essere avvelenati da S,CO2,H2O p Me + H = MeH T IDRURI METALLICI • Ti 3% in peso T 60°C • Mg 7% in peso T 250°C

29. d L SWNT ideale NANO TUBI DI CARBONIO • Scoperti per caso da Sumuio Iijima 1991 • Affini ai fullereni • SWNT • MWNT (strutture concentriche di SWNT) • Adsorbono grandi quantità di H2 a bassa T e p • Fino al 60% in peso !! • Soluzione ideale • Alta densità energetica • Basso peso • Ancora da studiare • Risultati contraddittori

30. FULLERENI • Terza forma allotropica del C (diamante e grafite) • Scoperti per caso da Smalley 1985 • Gabbie sferiche di strutture esagonali e pentagonali di C • Dall’architetto Fuller che realizzava “cupole geodesiche” • Primo scoperto C60“buckyball” forma di un pallone da calcio • Si producono artificialmente per evaporazione del carbone e si trovano molto raramente in Natura

31. USI DELL’ H2 • Produzione Elettrica • Impianti Termoelettrici : turbine a gas , a vapore • FC • Trasporti • FC • ICE • Produzione Termica • Gas arricchiti con H2 per migliorare la combustione • “Gas di città” usato in passato (ora sostituito dal gas naturale) che si otteneva direttamente dal carbone con la “reazione del gas d’acqua” : CO(50%) + H2(50%)

32. GENERATORI ELETTRICI • Impianti Termoelettrici • Miscelato (blending) o da solo • Meno emissioni • Maggiore efficienza • Celle a Combustibile ( Fuel Cells ) • Zero emissioni ACUSTICHE E ATMOSFERICHE • Rendimenti elevati (fino al 60%) • Riutilizzabili • Adattabili per diverse applicazioni sia fisse che mobili • Da pochi W a MW • Dai PC ai grandi impianti di distribuzione all’auto trasporto

33. AUTO TRAZIONE • H per ICE da solo o miscelato • In via di sviluppo • 1° esemplare : BMW 750 hL ( Berlino 2000 , 226km/h ) • H2O e minori NOx • H nelle FC per auto elettriche • Efficienza FC 37,7% • Efficienza ICE tradizionali: • Benzina : 16-18 % • Diesel : 22-24 % • Zero emissioni • Primo autobus d’Europa presentato a Torino : CityClass Iveco-Irbus • Prima stazione di rifornimento in Italia a Milano (Bicocca) • Come fornire H2 alla FC ?? • Rifornite direttamente da H2liquido o gassoso • Produzione a bordo da reforming di HC

34. 1 - CH3OH liquido 2 - REFORMER 3 - CH3OH+H2O->CO+3H2(~280°C, Me) 4 - CO+H2->CO2+H2 (catalizzatori) 5 - FC+Q 6 - H2O+O2->H2O ZERO NOx MENO CO2 1 mole di CH3OH da 1 mole CO2 1 mole (CnHm) da n moli di CO2 CO2 CH3OH CO Q H2 PEMFC H2O Aria REFORMING DEL CH3OH- produzione a bordo - CO<20ppm

35. A BENZINA : • V = 72 l • w = 71 kg H2 NECESSARIO PER AUTO • Bastano solo 3 kg ad una utilitaria per fare 500 km !! • Forma Gassosa : • Serbatoio da 290kg per 700 l (p=250 bar ) • Forma Liquida : • Serbatoio da 170 kg per 255 l • Alto tasso di evaporazione • Idruri Metallici : • Serbatoio da 570 kg per 230 l • CH3OH : • Serbatoio da 390 kg per 280 l • Costa il doppio della benzina • Nano Tubi di Carbonio : • Serbatoio da 10 kg per 30 l ???

36. CONCLUSIONI • Necessità di attività di R&D a livello internazionale al fine di rendere commerciale la produzione e l’utilizzo di H2 per passare da una economia basata sui combustibili fossili ad una basata sull’uso di fonti rinnovabili