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
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.

L'IDROGENO- CLASSE III A e IV A
IPIAS
Cos'è l'idrogeno:
PROPRIETA' CHIMICHE
PROPRIETA'
Numero atomico
Massa atomica (g/mol)
Elettronegatività
Densità (g. cm-3 a 20°C)
Punto di fusione (°C)
Punto di ebollizione (°C)
Raggio ionico (nm)
Isotopi
Guscio elettronico
L'IDROGENO- CLASSE III A e IV A
Energia di prima ionizzazioneIPIAS
(KJ/mol-1)
VALORE
1
1,007825
2.1
0.0899*10-3
-259.2
-252.8
0.208
3
1s1
1311
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
ARIA
VAPORE
REFORMING PRIM.
REFORMING SEC.
CONVERSIONE
DEL CO IN CO2
SEPARAZIONE CO2
CO2
METANAZIONE
CICLO DI SINTESI
L'IDROGENO- CLASSE III A e IV A
IPIAS
NH3
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.
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
L'IDROGENO- CLASSE III A e IV A
mercaptani.
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%.
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.
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.
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).
L'IDROGENO- CLASSE III A e IV A
IPIAS
LE FASI DELLA DIMINUZIONE DEI COSTI
NELL’IMPIEGO DELL’IDROGENO (1)
INCREMENTO D’USO DELL’IDROGENO
Si affineranno
le tecnologie di produzione
La produzione attuale
avviene
principalmente con
gli idrocarburi
Miglioreranno
le modalità di immagazzinamento
I costi della tecnologia
dell’idrogeno si ridurranno
H2
Produzione
progressiva con
l’elettrolisi
generata da fonti
rinnovabili
Ciò innescherà un incremento della domanda
e i costi si ridurranno ulteriormente
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.
L'IDROGENO- CLASSE III A e IV A
LE FASI DELLA DIMINUZIONE DEI COSTI
NELL’IMPIEGO DELL’IDROGENO (2)
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.
L'IDROGENO- CLASSE III A e IV A
IPIAS
LE FASI TEMPORALI PREVISTE
PER L'UTILIZZO DELLE CELLE A COMBUSTIBILE
Motori elettrici
per veicoli (3)
Centraline elettriche
domestiche (2)
SVILUPPO NEL TEMPO
L'IDROGENO- CLASSE III A e IV A
IPIAS
Alimentazione per
l'elettronica portatile (1)
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 DaimlerChrysler 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.
L'IDROGENO- CLASSE III A e IV A
IPIAS
CERCHIAMO DI INDIVIDUARE LE ALTERNATIVE
AL PETROLIO IN TERMINI ENERGETICI
L'IDROGENO- CLASSE III A e IV A
IPIAS
FUNZIONAMENTO DELLE
CELLE A COMBUSTIBILE
Celle
Pulite
Potenti
Versatili
Motore elettrico
Membrana
Serbatoio di
H2
H2 - 2e-
H2
2H+
-
H+
-
H+
Efficienti
2H+ + 2eAria
O2
H2O (vapore acqueo)
(O2 + 2H2
L'IDROGENO- CLASSE III A e IV A
Ambiente esterno
IPIAS
2H2
2H2O)
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.
L'IDROGENO- CLASSE III A e IV A
IPIAS
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.
L'IDROGENO- CLASSE III A e IV A
IPIAS
Elettrolisi
=
trasformazione di
energia elettrica in
H2O
O2
H2
SCHEMA
DELL’ELETTROLISI
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
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.
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
L'IDROGENO- CLASSE III A e IV A
IPIAS