Universit degli Studi di Perugia Facolt di Ingegneria

Università degli Studi di Perugia Facoltà di Ingegneria Corso di Impatto ambientale Modulo b) aspetti energetici prof. ing. Francesco Asdrubali a. a. 2007/2008 Celle a combustibile

CELLE A COMBUSTIBILE Sistema energetico di conversione energetica “diretta”: Non è direttamente soggetto ai limiti di conversione propri del II principio della termodinamica. Non ci sono organi meccanici in movimento: il loro funzionamento si presenta quindi silenzioso e privo di vibrazioni e di attriti. Il combustibile per le celle: l'idrogeno. E’ prodotto dal reforming degli idrocarburi, ma è possibile anche estrarlo dall'acqua per elettrolisi, dalla fermentazione anaerobica delle biomasse, dalla gassificazione del carbon fossile; da processi fotochimici con catalizzatore a base di ossido di rame. Celle a combustibile per autotrazione: elettrolita polimerico (Polymer Electrolite Membrane Fuel Cell – PEM) poiché raggiungono prestazioni, ingombri e pesi adeguati per tale impiego.

La reazione elettrochimica che si utilizza è un'ossidoriduzione: reazione anodica reazione catodica e complessivamente: H 2 → 2 H+ + 2 e 1/2 O 2 + 2 H+ + 2 e → H 2 O H 2+ 1/2 O 2 → H 2 O L’elettrolita è costituito da una membrana polimerica, della quale non è quindi necessario controllare né la concentrazione né il livello. Gli elettrodi non prendono parte alla reazione, ma fungono da catalizzatori nello svolgimento delle semireazioni ed hanno il compito di trasferire gli elettroni, coinvolti nella reazione, sul circuito esterno.

Gli elettrodi sono i siti dove avvengono le semireazioni precedentemente descritte. Al lato anodo avviene la decomposizione dell’idrogeno in ioni H+ ed elettroni; questi ultimi si trasferiscono dall’elettrodo al piatto bipolare (1), gli ioni idrogeno attraversano l’elettrolita polimerico (2) e giungono in prossimità dell’elettrodo catodico. Gli elettroni che si trovano sul piatto bipolare, lato anodo, attraversano il circuito elettrico esterno fornendo il lavoro elettrico utile, giungono quindi sul piatto bipolare, lato catodo, e di qui fino all’elettrodo catodico, dove si completa la reazione elettrochimica, con formazione dell’acqua.

La reattività elettrochimica fra gli elementi deve essere tale da consentire un potenziale di Nerst di almeno 1 V. La reazione dell'idrogeno nell'elettrolita polimerico ha un potenziale di 1, 2 V. Per ottenere un significativo valore di tensione per l’utenza finale, è necessario collegare più celle in serie (STACK) tramite i piatti bipolari al fine di raggiungere la tensione prefissata.

LA VISIONE DELL’IDROGENO Thermal solar Wind turbines Biomass PV plant H 2 production plant H 2 CO 2 Power generation plant Fuel cell plant Filling station Natural gas Depleted gas well Deep saline aquifer

CONFRONTO CON IMPIANTI DI POTENZA TRADIZIONALI 80 70 Efficienza, % 60 SOFC-GT 40 30 avanzata Ciclo combinato MCFC, SOFC 50 Turbina Turbine avanzate PAFC PEFC Microturbina 20 Diesel Motore a gas Impianto a vapore Motore a comb. interna 10 0 0, 1 1000 1 10 100 Potenza dell’impianto, MW

Caratteristiche delle celle a combustibile Polymer Electrolyte Fuel Cells, PEFC Molten Carbonate Fuel Cells, MCFC 45 -55% § Efficienza: Vantaggi: bassa temperatura opertiva permette start-up veloci; alta densità di potenza § Stato tecnologico: 100 k. W - 3 MW § Reforming del combustibile: est. – int. Vantaggi: disponibilità di calore ad alta temperatura per impieghi di cogenerazione e trigenerazione; relativa tolleranza alle impurità (CO può essere usato come combustibile) Limitazioni: uso di catalizzatori costosi; complessa gestione dell’acqua e del calore; fortemente sensibile all’inquinamento da CO Limitazioni: degradazione dei componenti della cella a causa della natura corrosiva dell’elettrolita; lungo tempo di start-up § Efficienza: 40% § Stato tecnologico: 1 -250 k. W § Reforming del combustibile: esterno Phosphoric Acid Fuel Cells, PAFC § Efficienza: 40 -50% § Stato tecnologico: 50 k. W -1 MW § Reforming del combustibile: esterno Vantaggi: disponibile in commercio; quasi insensibile all’inquinamento da CO; affidabile per applicazioni stazionarie in cogenerazione Limitazioni: impiego di catalizzatori costosi; natura corrosiva dell’acido fosforico; alti costi di produzione Solid Oxide Fuel Cells, SOFC § Efficienza: 45 - 60% § Stato tecnologico: 50 k. W- 1 MW § Reforming del combustibile: esterno interno Vantaggi: uso del cascame di calore per cogenerazione; relativa tolleranza alle impurità del combustibile Limitazioni: lungo tempo di start-up; problemi di stabilità meccanica e di durata dei componenti

Costi Il costo attuale di uno stack ad elettrolita polimerico si aggira intorno ai 3000/5000 $/k. W; i requisiti economici per entrare nel mercato si attestano intorno ai 1000/1500 $/k. W; per essere pienamente concorrenziali con i motori a combustione interna, le celle a combustibile dovrebbero avere un costo di 20/30 $/k. W.

Veicoli a celle a combustibile L'aspetto più delicato della trazione elettrica consiste nell'accumulo dell'energia. Le attuali batterie sono pesanti, costose e si pone anche un serio interrogativo su come affrontare il problema del ciclo di vita delle stesse, in particolar modo del loro smaltimento una volta esaurite. I veicoli ibridi (elettrici e a combustibile fossile) finora realizzati utilizzano per lo più un motore a combustione interna per azionare un alternatore, il cui scopo è caricare le batterie. Il rendimento complessivo rimane tuttavia modesto, a causa del complicarsi della catena di conversione dell'energia; il vantaggio che si potrà avere sarà in termini di emissioni inquinanti. Del tutto nuovo è l'approccio che sta alla base delle celle a combustibile: come si è detto, si tratta di un sistema di conversione diretta dell’energia, ovvero di un dispositivo che produce energia elettrica senza passaggi intermedi, sfruttando direttamente il potenziale chimico di un combustibile.

Il principale problema delle celle a combustile consiste negli ingentissimi costi economici necessari per realizzare attività produttive in vasta scala. Al fine di ridurre tali costi, è necessario creare una “economia dell'idrogeno”. Per l'approvvigionamento dell'idrogeno è possibile identificare due diverse scelte progettuali: · produrre l'idrogeno tramite impianti stazionari e successivamente immagazzinarlo a bordo; · produrre l'idrogeno, just in time, direttamente all'interno del veicolo partendo da un idrocarburo. La prima ipotesi è più semplice per la gestione complessiva del veicolo elettrico, ma è fortemente vincolata dall'assenza di una tecnologia matura in grado di garantire l'immagazzinamento di grosse quantità di idrogeno in modo conveniente, sicuro e, soprattutto, con il minor ingombro e peso possibile. Le tipologie di sistemi di accumulo idrogeno attualmente allo studio possono essere così catalogate:

· Serbatoi in pressione: si utilizzano materiali compositi, la pressione può arrivare fino a 350 bar. · Idruri metallici: molti metalli hanno la capacità di assorbire all'interno del loro reticolo cristallino idrogeno molecolare in condizioni di temperatura e pressione prossime a quelle standard. · Nanofibre di carbonio: la tecnologia dell'assorbimento di gas su solidi si trova ancora allo stato embrionale, potenzialmente la densità di energia, sia in peso, sia in volume, è paragonabile a quella dell'idrogeno liquido ma l'efficienza del sistema di rifornimento è enormemente superiore. · Idruri salini: gli idruri dei metalli alcalini e alcalino-terrosi presentano la caratteristica di reagire con l'acqua dando origine ad idrogeno ed all'idrossido del metallo di partenza. · Idrogeno liquido: sistemi criogenici, la temperatura all’interno del serbatoio è di qualche grado Kelvin (-250° C).

La seconda ipotesi consiste nel produrre l’idrogeno direttamente sull’autoveicolo: presenta grosse complicazioni impiantistiche, poiché si tratterebbe di installare un reformer (mini raffineria) in ogni veicolo circolante. Per quanto ardua, questa seconda strada potrebbe nel medio termine rappresentare la soluzione da perseguire poiché sarebbe totalmente compatibile con l'attuale rete di distribuzione dei combustibili per l'autotrazione.

Emissioni Indipendentemente dalla tipologia dei sistemi di accumulo o produzione dell’idrogeno, le emissioni inquinanti di un veicolo a celle a combustibile sono notevolmente inferiori a quelle di qualunque altro tipo di propulsore. Un veicolo a celle a combustibile sarebbe in grado di rispettare le più severe normative che siano finora state ipotizzate.