1.8 Sorgenti di energia
1.8.2 Tipi di batt eri e con venzion al
Le batt eri e sono st at e largam ent e adottat e nei vei coli di t erra grazie all a loro elevata densit à di energia, com pat tezza e affidabili tà .
1) Batterie al piombo : il piombo spugnoso lavora com e mat eriale attivo negati vo dell a batt eria, l ’ossido di piom bo è il materi al e atti vo positi vo e l’acido solforico diluito è l’elettrolita. Nella fase di scarica, sia il mat eri al e positivo che negativo è t rasformato in sol fato di piombo. La batt eria al piombo pres ent a num erosi vant ag gi per l’appli cazione s ui vei coli i bri di. Sono disponibili in grandi volumi produt tivi e ci ò com porta un costo rel ativam ent e basso . In aggiunt a, la t ecnologi a dell e batt erie al piom bo è matura grazie al loro largo impi ego ne l passato . Ciò
nonostant e, la batt eria al piom bo non è adatt a per scariche s uperiori al 20% dell a s ua capacità. Operare ad un basso li vel lo di cari ca com porta una riduzione del ci clo di vit a . La densità di energi a e pot enz a della batt eria sono bass e a caus a del peso dei coll ett ori di piom bo. La densi tà di energi a, inolt re, può ess ere incrementat a us ando un col lettore non corrosivo l eggero.
2) Batt eri e al Ni ckel -idr uro metall ico (N i MH): La batt eria Ni MH ut ilizza una soluzione al cali na come elettrolit a. Quest a batt eri a è co mpos ta da idrossido di ni ckel nel polo pos itivo e il polo negativo consiste in un a lega di vanadio, tit anio, ni ckel e alt ri m et alli. La densit à di energi a è il doppi o ris petto all e batt eri e al piom bo. I componenti dell e batteri e NiMH sono innocui per l’ambiente e possono essere riciclate. La batteria NiMH è si cura per operare a el evat e tensioni e ha diversi vantaggi, com e una el evat a densit à di energi a e pot enza, lungo ci clo di vit a, operatività in un ampio range di temperatura e resis tenz a alla carica e al la s cari ca. Dall’altro lato della medaglia, se ripetutamente scaricata ad una alta corrente di cari co, l a vit a dell a batt eri a NiMH ri sult a ridot ta di ci rca 200 -300 ci cli. La mi gliore perform ance operativa è ott enuta quando viene scari cat a t ra il 20% e il 5 0% dell a sua capacità. L’effetto di memori a in questo t ipo di bat teri e ri duce l a pot enz a uti lizzab il e per i vei coli el ett rici , port ando ad una ri duzione dello st ato di cari ca disponibil e della batt eri a ad un valore i nferi ore al 100% .
3) Batt er ie agl i Ioni di Litio: le bat terie agli ioni di l itio hanno dimostrato di avere una eccellente performance nell’elettronica portatile e nei dispositi vi medici . Le batt eri a agli ioni di litio hanno una el evat a densit à di energi a, hanno una buona perform ance ad elevate t emperat ure e sono riciclabili. L’elettrodo positivo è fatto di un materiale di ossido di cobalto e l’elettrodo negativo è fatto di materiale composito. Il sale di litio i n un s olvent e organi co è utilizz ato com e el ett rolit a. Gli aspetti prom ett enti dell e b atterie agli ioni di li tio incl udono un basso effett o sull a memori a, una el evata pot enza specifi ca di 300 W/kg, una el evata
densit à di energia di 100 Wh/kg e una lunga vit a di batt eri a di 1000 ci cli. Quest e eccell enti caratteristiche fanno dell e batt eri e agl i ioni di litio un ot timo candi dat o per sostitui re l e batt erie Ni MH nel la prossim a generazi one dell e batterie per veicoli. Il prezzo dell e batt eri e NiM H era di circa 1500 US D/ kWh nel 2007. Da quando il prezzo del nickel è increment ato, l a pot e nzi ale ri duzione di cost o dell e batt erie NiMH non è prom ett ente. Le batt eri e agli i oni di l itio hanno il doppio dell a densit à di energi a dell e Ni MH e possono avere un prezzo che vari a da 750 a 1000 USD/ kWh.
4) Batt eri e al Ni ckel -Zinco (Ni-Z n): l e batterie al nickel -zinco hanno una el evata densità di pot enza e di energi a, mat eri ali a bass o costo, l a possi bilit à di s cari che profonde e sono poco i nquinanti . Il range di temperatura di utiliz zo del le batt eri e Ni -Zn vari a t ra -10 °C e 50 °C , ciò si gni fi ca che pos sono ess ere utilizzate i n condizioni cl imati che s e vere. Ciò nonost ant e, i l numero di ci cli di vit a è l imit ato a causa del rapido incremento di dendriti, che im pedis ce l o sviluppo dell e bat terie Ni -Zn nell e appli cazi oni automotive.
5) Batteri e Nickel -C admi o (Ni -Cd): l e batt eri e al Ni chel -C admio hanno una lungo t empo di vita e possono essere com pletam ente s caricat e senza provocare alcun danno. L’energia specifica delle batterie al Ni -Cd è attorno a 55 Wh/kg. Ques te batt eri e poss ono ess ere ri ci cl ate, ma i l cadmio è una s peci e di met all o pesant e che può causare inquinamento ambi ent al e s e non propri am ent e sm altito. Un al tro inconvenient e dell e batt erie al Ni -C d è il cost o. Usualm ente, cost a più di 20000 USD inst all are quest a batteria s u un vei col o. La F i gura 1.18 mostra il confronto dell’economizzazione dell’energia di diverse batterie per un bus di transito ri fornito a di esel in un ciclo di guida citt ad i na i n Indi a. Come most rato in F igura 1.18 l a bat teri a NiM H è l a più effici ent e. Le batt erie Ni -Zn e agl i ioni d i litio m ost rano un consi derabil e potenzial e ma necessit ano ancora di ult eriore l avoro por perm ett ere il l oro utilizz o nei veicoli i bridi.
F i g . 1 . 1 8 : C o n f r o n t o d e l l e d i v e r s e b a t t e r i e p e r e c o n o m i a d i c o m b u s t i b i l e ( i n m i g l i a p e r g a l l o n i ) [ 4 ] .
1.8. 3 Super con den satori
I supercondens at ori immagazzinano energi a s eparando fi si camente l e cari che negat ive e positi ve. Le cari che sono accum ulate i n due piat ti parallel i divisi da un is olant e. P oiché non ci sono vari azioni chimi che negli el ett rodi, i supercond ens at ori hanno un lungo ci clo di vita m a un a bassa dens ità di energi a. La F i gura 1.19 mostra l a st ruttura di un singol o supercondens at or e. Il pot enziale appli cat o sull ’elet trodo posi tivo attrae gli ioni negativi nell’elettrolita, mentre il potenziale sull’ elettrodo negati vo att rae gli ioni positivi.
La densit à di pot enza di un supercondensat or e è considerevolm ent e superi ore a quella dell e batt erie ; quest o è dovut o al fatt o che l e cari che sono fisi cam ent e accumul ate sugli elet trodi. Una bass a res ist enza int erna fornis ce una alt a effici enza a i s upercondens atori m a può ris ultare in un el evato picco del la corrente i n uscit a se il supercondensat ore è i n uno stat o di cari ca limit at a . Un’altra carat te risti ca del supercondensat ore è quella che l a t ensione fi nal e è di rettam ent e proporzional e allo st at o di cari ca. Lo sviluppo di int erfacce el ett roniche perm ett e al supercondens at ore di operare per t utto il suo variabil e range di utilizzo. I ri cercatori st a nno i nvesti gando vari met odi per aum entare la superfi cie degli el ett rodi per mi gliorare ult eriorm ent e l a capacit à di accumulo di energi a dei supercondensat ori .
I supercondens atori poss ono essere util i zzati come sorgenti di energia nell e vetture ibride. Nel l a gui da urbana, ci sono molt e condizioni di arresto e ri part enz a e l a potenza t ot ale ri chi est a è relati vamente bass a. I supercondens at ori sono molto adatti per catturare l’energi a dall a frenat a rigenerativa e per fornire rapidamente potenza per l’accelera zione in quanto hanno veloci rapporti di cari ca e scari ca. M ett endo a confronto l e batt erie con i supercondensatori si not a com e l e batt eri e hanno una el evata densit à di energi a ment re i supercondens atori hanno una el evata densit à di potenza . Una el evata v it a e una bass a m anutenzione port a all a riduzi one dei costi. Nel le appli cazioni dei vei coli ibri di, sia le batt eri e che i supercondensatori possono ess ere combi nati per m as simizzare i benefi ci di ent rambi i componenti.
Esist ono cinque ti pi di tecnologi e di supercondens atori in fas e di sviluppo: fibre composit e di carbonio -m et allo, carboni o espanso, parti col ato di carbonio con un l egante, film di polim ero condutt ivo drogat o s u uno st rat o di carboni o e l a miscel azione di rivestimenti di ossido di m et allo su u n foglio di met allo. Una m aggiore densit à di energi a può essere raggiunt a con gl i elett rodi di carbonio composit o
utilizzando un el et trolit a organi co pi uttost o che elett rodi in fibra com posit a carbonio -met allo con un el ett rolita acquos o.
1.8. 4 C ell e a com bustibil e
La cella a combustibile genera elettricità dal combustibile sull’anodo e dall’ossidante sul catodo e reagisce nell’elettrolita. Durante il processo di generazione, i reagenti fluis cono nell a cell a, ment re i prodotti dell a reazione deflui scono fuo ri. La cella a combustibil e è in grado di generare elet tri cit à fint ant o che il fl usso dei reagenti è m ant enuto. I vantaggi dell a cell a a com bust ibil e incl udono una el evat a effi ci enz a di conversi one del com busti bile in energi a el ettrica, operazione silenzio s a, emiss ioni null e o molto bass e, il calore dis pers o è recuperabil e, flessibilit à del combustibil e, durabil ità e affidabilit à.
Diverse com binazioni di com bust ibili e ossidanti sono poss ibili per l e celle a combustibi le . L’idrogeno è un ideal e com bus tibil e non inquinant e per l e cell e a com busti bile, poiché ha la pi ù alt a densi tà di energi a rispett o a tutt i gli al t ri combustibil i e il prodotto dell a reazione in cell a è solo acqua. La Fi gura 1.20 mos tra l a confi gurazione di una cell a a com busti bil e ad idrogen o.
Altri com bus tibili i ncludono gli idrocarburi e gli al cool e alt ri ossi danti incl udono cloro e diossido di cl oro . La tabell a III riassum e le ti piche caratt eristi che di alcune tipologie di cell e a com busti bil e.
T A B E L L A I I I – C a r a t t e r i s t i c h e t i p i c h e d e l l e c e l l e a c o m b u s t i b i l e [ 4 ] .
Diversam ente dalle batt erie el ett rochimi che, i reagenti devono ess ere riforniti pri ma di essere uti lizzati. Nel le applicazioni i n vei colo, uno speci fi co serbatoio deve es sere i ncl uso a bordo. Poiché l a densit à di energi a è rel ati vament e bassa (2.6kWh/ L per l ’idrogeno li quido confront at o con 6kWh/ L per il petrolio), sono necess ari grandi serbat oi. L’efficienza delle celle a combustibile è dipendente dall’ammontare di pot enza est ratt e da esse. General ment e, più al ta è l a pot enza estratt a, più bas sa è l’effi ci enz a . Molt e perdite si mani fest ano c om e un cal o di tens ione s ull e resist enz e int erne. La ri s post a in termi ni di tempo dell e celle a com busti bil e è rel ati vam ente lunga confront at a con qu ella dell e batt erie e quel la dei supercondensatori . Un al tro inconvenient e dell e celle a combus tibil e è che sono m olto cos tose (fino a ci nque volte in pi ù rispett o ai mot ori a combus tione int erna ). I componenti dal costo maggiore sono la membrana, l’elettrocatalizzatore e i piatti bipolari. Una nuova ri cerca in corso cerca di sviluppare m embrane di idroca rburi per sostit uire l e membrane correnti.