UNIVERSITA’ DI ROMA
“TOR VERGATA”
FACOLTA’ DI
INGEGNERIA
IDROGENO
ENERGIA PER IL FUTURO
UNIVERSITÀ DI ROMA “TOR VERGATA”
FACOLTÀ DI INGEGNERIA
Corso di:
CHIMICA PER L’ENERGIA
Docente: prof. Paolesse
Studente:
Corso: CHIMICA PER L’ENERGIA – Laurea: INGEGNERIA PER L’AMBIENTE E IL TERRITORIO – A.A. : 2003/2004
Pag. 1
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FACOLTA’ DI
INGEGNERIA
UTILIZZO ATTUALE RISORSE
o
Fonti NON Rinnovabili (combustibili fossili ):



o
Petrolio 40 %
Carbone 30 %
Gas Naturale 20 %
Fonti NON rinnovabili
90 %
Fonti Rinnovabili :







Energia Eolica
Energia Idroelettrica
Energia Nucleare
Energia Geotermica
Biomassa
Idrogeno
Solare
Fonti rinnovabili
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10 %
Pag. 2
FACOLTA’ DI
INGEGNERIA
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PROBLEMI CONNESSI
ALL’ USO DI COMBUSTIBILI FOSSILI
o
o
Esaurimento dei giacimenti
Immissione inquinanti primari






o
CO2
NOx
SOx
HC incombusti
CO
Particolato fine
Inquinanti Secondari

Smog fotochimico
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Pag. 3
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FACOLTA’ DI
INGEGNERIA
CO2
o
o
Principale inquinante della combustione
Gas Serra
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Pag. 4
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FACOLTA’ DI
INGEGNERIA
CICLO NATURALE DELLA CO2
o
o
o
Eruzioni vulcaniche
Incendi boschivi
Respirazione animale
o
o
Fotosintesi
Oceani
280 ppm
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Pag. 5
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FACOLTA’ DI
INGEGNERIA
EMISSIONI ANTROPICHE
dall’inizio dell’era industriale
VALORI ATTUALI
370 ppm (+ 30%)
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Pag. 6
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FACOLTA’ DI
INGEGNERIA
IPCC
Intergovernmental Panel on Climate Change
550 ppm
2080
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Pag. 7
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FACOLTA’ DI
INGEGNERIA
EFFETTI INCREMENTO
CO2 ATMOSFERICA
o
o
Incerti : mancanza di modelli matematici
Presumibile causa del “Global Warming”
ΔT=0,6 °C dal 1861 ad oggi
T media in crescita
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Pag. 8
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FACOLTA’ DI
INGEGNERIA
CORSA AI RIPARI
o
o
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
o
Protocollo di Kyoto (1997)
Impegno dei paesi industrializzati a ridurre le emissioni
di GHG (GreenHouse Gas: CO2,CH4,N20,HFC,SF6…..)
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Pag. 9
FACOLTA’ DI
INGEGNERIA
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3 VIE PER RIDURRE EMISSIONI
o
Migliorare l’efficienza degli impianti attuali

o
buona soluzione a breve termine
Separazione e allontanamento della CO2

decarbonatazione


o
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
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Pag. 10
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FACOLTA’ DI
INGEGNERIA
FONTI RINNOVABILI
o
o
o
o
o
o
o
Idroelettrica
Eolica
Geotermica
Nucleare
Biomassa
Solare
Idrogeno
o
Sviluppo ostacolato da:



Intermittenza della disponibilità
Costi elevati
Bassa densità di energia
ANCORA NON COMPETITIVE
CON I COMBUSTIBILI FOSSILI
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FACOLTA’ DI
INGEGNERIA
IDROGENO
o
o
o
o
o
o
o
o
o
o
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
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FACOLTA’ DI
INGEGNERIA
Vantaggi
o
&
Praticamente inesauribile
o
Zero emissioni (H2O,NOx)
o
Può essere prodotto da molte
o
fonti (rinnovabili e non)
o
Alta energia specifica (J/kg)

Circa 2,5 volte più del CH4
Bassa densità energetica (J/l)

o
o
Svantaggi
o
o
Circa 3,2 volte minore del CH4
Infiammabile
Esplosivo
Molto reattivo
Estremamente volatile
1 Kg CH4 = 1478 l
1 Kg H2 = 11837 l ( 8 volte CH4 )
T=15°C , p=1 atm
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FACOLTA’ DI
INGEGNERIA
BASSA DENSITA’ ENERGETICA
o
La stessa quantità di energia
prodotta da V litri di CH4 richiede
circa 3V litri di H2 nelle stesse
condizioni di T e p
H2
CH4
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FACOLTA’ DI
INGEGNERIA
USI …
o
Per la sintesi di molte specie
NH3,CH3OH,fabbricazione
carburanti sintetici (processo
Fischer – Tropsh (1932))
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FACOLTA’ DI
INGEGNERIA
USI …
passati
o
Per la sintesi di molte specie
o
Usato per gonfiare gli
aerostati. Tragedia dell’
NH3,CH3OH,fabbricazione
carburanti sintetici (processo
Fischer – Tropsh (1932))
Hindenburg (1937) fu
sostituito da He più pesante
ma non infiammabile.
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FACOLTA’ DI
INGEGNERIA
USI …
presenti
o
Per la sintesi di molte specie
o
Usato per gonfiare gli
aerostati. Tragedia dell’
NH3,CH3OH,fabbricazione
carburanti sintetici (processo
Fischer – Tropsh (1932))
Hindenburg (1937) fu
sostituito da He più pesante
ma non infiammabile.
o
Unico impiego attuale come
combustibile nelle missioni
spaziali NASA
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FACOLTA’ DI
INGEGNERIA
USI …
futuri
o
Per la sintesi di molte specie
o
Usato per gonfiare gli
aerostati. Tragedia dell’
NH3,CH3OH,fabbricazione
carburanti sintetici (processo
Fischer – Tropsh (1932))
Hindenburg (1937) fu
sostituito da He più pesante
ma non infiammabile.
o
o
Unico impiego attuale come
combustibile nelle missioni
spaziali NASA
Celle a combustibile
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FACOLTA’ DI
INGEGNERIA
OSTACOLI
o
o
o
Produzione
Distribuzione
Stoccaggio
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FACOLTA’ DI
INGEGNERIA
PRODUZIONE ….
o
Reforming idrocarburi 67 %

o
o
o
Principalmente gas naturale
Elettrolisi
Gassificazione
Altri metodi

3%
30 %
Foto conversione (energia solare) dell’
H2O mediante alghe e batteri

in fase di studio
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FACOLTA’ DI
INGEGNERIA
REFORMING DI IDROCARBURI
o
o
Combustibili fossili
Posso usare biomassa


o
Bioetanolo
Biogas
CH3OH
(specie per auto)
o
o
Si produce CO2
Non conviene



Sia economicamente
Sia energeticamente
Sia per l’inquinamento
STEAM REFORMING
1)
CH4 + H2O -> CO + 3H2 (T=800°C, Ni)
2)
CO + H20 -> CO2 + H2
(su catalizzatore)
1+2) CH4 + 2H20 -> CO2 + 4H2
Energia di 4 moli di H2 < Energia di 1 mole di CH4
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FACOLTA’ DI
INGEGNERIA
GASSIFICAZIONE DEL CARBONE
o
Posso usare biomassa

o
Produce CO2
Pirolisi e successiva
gassificazione della frazione
solida (char)
1)
C + H2O -> CO + H2 (T=1000°C, Ni)
2)
CO + H20 -> CO2 + H2 (su catalizzatore)
1+2) C + 2H20 -> CO2 + 2H2
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FACOLTA’ DI
INGEGNERIA
DISSOCIAZIONE DELL’ H2O
Dissociazione elettrolitica
o Dissociazione termica (3500 K)
Produce H2 puro
o Costosa
 4-5 kWh per 1m³ di H2
Zero emissioni
o Per applicazioni speciali
Posso usare energie
o di laboratorio
alternative
o
o
o
o





Solare
Biomassa
Nucleare
Idroelettrica
Eolica
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FACOLTA’ DI
INGEGNERIA
… DISTRIBUZIONE …
o
Mediante Idrogeno-dotti:


o
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
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Pag. 24
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FACOLTA’ DI
INGEGNERIA
…. STOCCAGGIO
o
o
o
o
Idrogeno Compresso
Idrogeno Liquefatto
Idruri Metallici
Nano Tubi di Carbonio
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FACOLTA’ DI
INGEGNERIA
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IDROGENO COMPRESSO
o
o
o
Metodo più semplice (in commercio 200-250 bar)
Alte pressioni per compensare bassa densità energetica
Nuovi materiali


o
Resistenti ad alte p
Leggeri
Problemi di sicurezza
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FACOLTA’ DI
INGEGNERIA
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IDROGENO LIQUEFATTO
o
o
o
o
o
Portare e mantenere H2 a -273 °C
Necessità di super contenitori isolanti
Alto tasso di evaporazione
Pericoloso
Molto costoso
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FACOLTA’ DI
INGEGNERIA
IDRURI METALLICI
Me
o
o
+ H = MeH
Sicuro
Alta densità energetica

p
3-4 volte H2 compresso
T
o
o
o
Pesanti
Costo
Possono essere avvelenati

o
o
da S,CO2,H2O
Ti
3% in peso T 60°C
Mg 7% in peso T 250°C
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FACOLTA’ DI
INGEGNERIA
NANO TUBI DI CARBONIO
o
o
Scoperti per caso da Sumuio Iijima 1991
Affini ai fullereni


o
Fino al 60% in peso !!
L
Soluzione ideale


o
SWNT
MWNT (strutture concentriche di SWNT)
Adsorbono grandi quantità di H2 a bassa T e p

o
d
Alta densità energetica
Basso peso
Ancora da studiare

Risultati contraddittori
L
 10 4  105
d
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SWNT ideale
Pag. 29
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FACOLTA’ DI
INGEGNERIA
FULLERENI
o
o
o
o
o
o
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
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Pag. 30
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FACOLTA’ DI
INGEGNERIA
USI DELL’ H2
o
Produzione Elettrica


o
Trasporti


o
Impianti Termoelettrici : turbine a gas , a vapore
FC
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%)
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FACOLTA’ DI
INGEGNERIA
GENERATORI ELETTRICI
o
Impianti Termoelettrici

o
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
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Pag. 32
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FACOLTA’ DI
INGEGNERIA
AUTO TRAZIONE
o
H per ICE da solo o miscelato


o
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


o
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 H2 liquido o gassoso
Produzione a bordo da reforming di HC
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FACOLTA’ DI
INGEGNERIA
REFORMING DEL CH3OH
- produzione a bordo o
o
o
o
o
o
o
o
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
H2O


1 mole di CH3OH da 1 mole CO2
1 mole (CnHm) da n moli di CO2
CO2
CH3OH
CO
Q
H2
PEMFC
CO<20 ppm
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Aria
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FACOLTA’ DI
INGEGNERIA
H2 NECESSARIO PER AUTO
o
o
Bastano solo 3 kg ad una utilitaria per fare 500 km !!
Forma Gassosa :

o
Forma Liquida :


o
Serbatoio da 570 kg per 230 l
CH3OH :


o
Serbatoio da 170 kg per 255 l
Alto tasso di evaporazione
Idruri Metallici :

o
Serbatoio da 290 kg per 700 l (p=250 bar )
o
Serbatoio da 390 kg per 280 l
Costa il doppio della benzina
A BENZINA :


V = 72 l
w = 71 kg
Nano Tubi di Carbonio :

Serbatoio da 10 kg per 30 l ???
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Pag. 35
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FACOLTA’ DI
INGEGNERIA
CONCLUSIONI
o
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
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