Università degli Studi di Genova
Dipartimento di Ingegneria Elettrica
Dottorato di Ricerca in Scienze dei Servizi per i Trasporti e la Logistica
XIX ciclo 2004 - 2006
Trasporto di Idrogeno e Gas Naturale e
loro utilizzo ottimale nei veicoli a motore
Coordinatore:
Prof. Ing. Giuseppe Sciutto
Docente di Riferimento: Prof. Sandro Bertini
Candidato:
Ing. Zefferino Pavanelli
1.1 Motivazioni economiche
• La disponibilità di petrolio è ormai dimezzata rispetto alle
prime estrazioni iniziate alla fine del 1800
•
•
•
La “forbice” tra la domanda crescente e la disponibilità di
petrolio decrescente determina un aumento o un
mantenimento del prezzo del petrolio su valori elevati
Convenienza nel recupero delle grandi quantità di gas naturale che scaturisce insieme al petrolio nei giacimento off shore che veniva regolarmente ed assurdamente bruciato
Tale recupero avviene attraverso la liquefazione del gas
naturale ed il trasporto mediante navi metaniere
1.1 Motivazioni economiche
• Il numero delle navi metaniere è in continua crescita ed ha
superato le 155 unità, nell’anno 2004; numerose sono anche
le navi metaniere in costruzione.
1.2 Motivazioni tecniche
• Idrogeno e Gas Naturale garantiscono un notevole aumento
dei rendimenti di conversione dell’energia termica in
energia elettrica che nelle centrali a “ciclo combinato”
raggiunge il 60%
• Rendendo possibile la generazione distribuita dell’energia
elettrica si attua un ulteriore risparmio energetico, dato che i
grandi elettrodotti assorbono mediamente l’1% dell’energia
trasportata ogni 100 Km mentre i metanodotti circa l’1%
ogni 1000 Km
• Attualmente le PEMFC per autoveicoli hanno un rendimento intorno al 35% - 40% ed un peso intorno ai 2 kg/kw;
l’obiettivo raggiungibile è un rendimento intorno al 50% ed
un peso intorno ad 1 kg/kw
1.4 Motivazioni ambientali
Il crescente utilizzo dei combustibili fossili incide pesantemente sull’ambiente con i seguenti rischi:
• Arresto o rallentamento della “Corrente del Golfo” ed
eventuale glaciazione oltre il 45º parallelo o instabilità
climatiche con progressiva desertificazione dei paesi
nell’area del Mediterraneo
• scioglimento del permafrost diffuso lungo tutte le coste e
contenente grandi quantità di idrato di metano con diffusione nell’ambiente di gas naturale, contribuendo all’effetto
serra in misura maggiore dell’anidride carbonica
1.4 Motivazioni ambientali
Previsioni sull’aumento di concentrazione di anidride carbonica ed aumento della temperatura media del pianeta della
Bellona Foundation
2.4 Ipotesi di trasporto dell’idrogeno liquido mediante dirigibili del tipo
SkyCat
Fig. 23 Immagine di uno SkyCat 20 in fase di decollo da uno specchio d’acqua
Rif.Bibl. [37]
2.4 Ipotesi di trasporto dell’idrogeno liquido mediante dirigibili del
tipo SkyCat
Costo di trasporto mediante i diversi tipi di vettori; costo per
tonnellata e per miglia percorse; lo Sky Cat già nella versione
220 diventa competitivo col trasporto su gomma e nella
versione 1000 col trasporto via mare.
3 Valutazione dei rischi inerenti la manipolazione ed il trasporto
dell’idrogeno e del gas naturale
- storicamente gas contenenti idrogeno sono stati usati in tutta sicurezza come
combustibile per il riscaldamento domestico fin dai primi dell’800 nella forma di
“gas di città”, una miscela composta per il 50% da idrogeno e per il 50% da
monossido di carbonio. Un altro studio ha verificato la mancanza di prove che la
frequenza e le conseguenze di incidenti dovuti a esplosioni fossero
significativamente influenzata dal fatto che la causa fosse il gas di città o gas
naturale;
- miscele di idrogeno e altri gas sono usati comunemente in molte industrie;
- l’idrogeno è trattato con relativa sicurezza all’interno di grandi raffinerie e impianti
chimici;
- l’idrogeno liquido viene correntemente trasportato attraverso gli Stati Uniti per
mezzo di autocisterne con serbatoio criogenico al tasso di 70 milioni di galloni
all’anno senza alcun incidente rilevante;
(Corrispondente a 265 milioni di litri di metano liquido allanno, essendo il gallone
statunitense corrispondente a
3,785 litri)
- non ci sono prove che l’idrogeno a bordo di veicoli sia un’anormale fonte di rischio;
- non ci sono indicazioni che un veicolo con propulsione ad idrogeno, convenientemente progettato, e la sua annessa struttura di rifornimento possa creare più
rischi di un normale veicolo a combustibile convenzionale.
4 Verso carburanti sempre più “ecologici” e leggeri.
4.1 Decarbonizzazione delle fonti energetiche.
Dal 1860 ad oggi il contenuto medio di idrogeno dei combustibili utilizzati è aumentato
con un andamento quasi esponenziale; dal 1860 al 1990 è aumentato di 6 volte.
Jesse Ausubel, della Rockefeller University ritiene che “il fatto più sorprendente,
importante e positivo che emerge dagli studi sull’energia relativi agli ultimi duecento
anni è che vi è stato un progresso globale a favore degli atomi di idrogeno
rispetto a quelli di carbonio.
10.3 Ipotesi di produzione di idrogeno liquido da impianti di aerogeneratori
situati in paesi del terzo mondo o da impianti offshore in prossimità
delle coste italiane
Metodi di ormeggio di aerogeneratori galleggianti.
10.3 Ipotesi di produzione di idrogeno liquido da impianti di aerogeneratori
In Norvegia sorgera' il parco eolico off-shore piu' grande le mondo per una
potenza da 1.500 MW. (ANSA)
Si tratta di un colossale impianto costituito da 334 aerogeneratori con rotori del
diametro di 120 metri. Il progetto nel Mar di Norvegia, a una quindicina di km dalla
costa di Romsdal, e' della societa' Havgul. Il parco, richiedera' un investimento di
circa 2 miliardi di euro e potrebbe essere completato entro il 2012 e sarà in grado di
generare 4,2 TWh l'anno. I lavori dovrebbero quest’anno.
Costo dell’installazione: 1330 euro/kw
Energia producibile ogni anno: 4.2 miliardi di kilowattora/anno
Rapportato ad un impianto di 5000 Mw corrisponde a 14 miliardi di
kilowattora/anno
Costo dell’ammortamento dell’impianto per ogni litro equivalente di
benzina prodotta (facendo le proporzioni):
(1330/1000) / (14/10) * 29 centesimi = 27,5 centesimi
(ipotizzando una vita di 25 anni dell’impianto).
10.3 Ipotesi di produzione di idrogeno liquido da impianti di aerogeneratori
10.3 Ipotesi di produzione di idrogeno liquido da impianti di aerogeneratori
10.3 Ipotesi di produzione di idrogeno liquido da impianti di aerogeneratori
Conclusioni
Storicamente lo sviluppo di una innovativa logistica nella
fornitura dell’energia con l’elettrificazione della ferrovia del passo
dei Giovi nel 1911 unendo il porto di Genova con il nord Italia e la
città di Torino contribuì al grande sviluppo dell’elettrificazione
delle ferrovie in Europa e nel mondo, permettendo al treno, con le
linee ad alta velocità di arrivare ad essere competitivo con le linee
di comunicazione aeree.
In modo analogo lo sviluppo di una innovativa logistica
del trasporto del gas naturale liquido e sopratutto
dell’idrogeno liquido contribuirebbe sicuramente ad un
notevole miglioramento dei rendimenti di conversione
dell’energia termica in energia meccanica ed elettrica nei
trasporti e ad una soluzione dei problemi legati
all’inquinamento ed alla salvaguardia dell’ambiente.