A A UT U TO O A A D D I I DR D R OG O GE E N N O O
Silvio Bucher, Luca Giambonini, Matteo Mignola e Fiorenzo Scettrini (IMAE3)
Progetto Interdisciplinare 2004 in Chimica ed Economia.
Docenti:
Wladislaw Ivancev (Chimica) & Roberto Signorelli (Economia)
Locarno, 2004
SO S OM M MA M AR RI IO O
INTRODUZIONE _______________________________________________________________ 3 ORGANIZZAZIONE_____________________________________________________________ 4 RICERCHE E LAVORI DI GRUPPO & PERSONALI _________________________________ 5 1. Tecnica di produzione e stoccaggio dell’idrogeno (Silvio, Luca) _____________________ 5 2. Sistema ibrido: idrogeno e motore elettrico (Luca)________________________________ 6 3. Le reazioni chimiche (Matteo)_________________________________________________ 8 4. Il nostro esperimento con l’auto a idrogeno (Silvio, Luca)__________________________ 9 5. Il cambiamento nella società (Fiorenzo)________________________________________ 10 6. Il paragone con un’auto a benzina (Matteo) ____________________________________ 11 7. Aspetti positivi & negativi dell’idrogeno (Matteo) _______________________________ 12 RISULTATO DI GRUPPO _______________________________________________________ 13 CONCLUSIONE _______________________________________________________________ 13
INTRODUZIONE
Questo lavoro è richiesto dalla maturità professionale, si tratta di un progetto interdisciplinare comprendente più materie, nel nostro caso chimica ed economia, da svolgere durante il terzo anno alla SPAI di Locarno. Il nostro tema globale è la progettazione di “Una Città tutta a I- drogeno”, una città delle dimensioni di Locarno, interamente funzionante a idrogeno, nel fu- turo, per esempio nel 2050, oppure con altre fonti d’energia rinnovabili e pulite. Le due mate- rie che verranno prese in considerazione sono chimica ed economia. Per la parte riguardante la chimica tratteremo soprattutto gli aspetti tecnici delle applicazioni dell'idrogeno nel campo delle automobili e del trasporto privato, mentre per economia tratteremo la parte economica e politica dei problemi energetici e del traffico.
Il nostro gruppo della classe E3 di elettronici ha deciso di trattare il tema dell’auto a idrogeno.
Questa la nostra scelta perché si tratta di un tema molto interessante ed attuale. Le auto a i- drogeno sono il futuro e andranno sempre più a sostituire le "tradizionali" a benzina. Già oggi in numerose città europee sono in corso i primi esperimenti con l'idrogeno come combustibile almeno a livello dei trasporti pubblici con i bus. Molte case automobilistiche hanno esibito i loro prototipi e non mancano gli esempi di questo tipo per due casi particolarmente preoccu- panti dal punto di vista dell'inquinamento: barche a motore ed aerei. Lo schema seguente in- dica la posizione del nostro lavoro di gruppo rispetto al progetto globale:
L’obiettivo di questo lavoro è quello di acquisire maggiori conoscenze su questo tema e sui diversi problemi legati all’energia alternativa.
Il lavoro si è svolto principalmente in due luoghi: casa e scuola. Oltre al lavoro di ricerca e di sintesi nei campi delle due materie del progetto interdisciplinare di questo anno, abbiamo po- tuto svolgere attività sperimentale con un modellino di un auto ad idrogeno avente una stazio- ne fotovoltaica (pannello fotovoltaico e una lampada da 150 Watt) ed elettrica (generatore), un elettrolizzatore per produrre idrogeno dall'acqua, una cella a combustibile e un motorino elettrico, il tutto all’interno delle ore di chimica (3 al mese) con una mattinata supplementare un sabato nel mese di aprile.
ORGANIZZAZIONE
All’interno del gruppo ci siamo suddivisi il lavoro di ricerca e preparazione nel seguente mo- do:
Lo stesso gruppo, senza Luca Giambonini, ha trattato anche il tema dell’elettricità che si lega molto bene a quello dell’auto a idrogeno. L’energia elettrica è molto importante comunque per la nostra tecnologia, sia per l’auto ad idrogeno, sia per quella elettrica a batterie o quella normale a combustione interna. In questa parte abbiamo trattato il problema del potenziale di produzione di energia elettrica con le centrali idroelettriche nel caso volessimo eliminare le centrali nucleari che in Svizzera producono circa il 40% dell’elettricità.
Luca Giambonini assieme a Danilo Cavargna dell’altro gruppo, quello delle “Macchine vo- lanti all’idrogeno”, ha trattato il tema della politica energetica generale a livello europeo e svizzero.
Il lavoro si è svolto in tre fasi: ricerca materiale (1-2 mesi), sfogliare e selezionare parti im- portanti del materiale (1-2 mesi) e costruire il documento finale (aprile-maggio): tempo per il tutto cinque mesi. Il nostro documento finale sulle auto all’idrogeno lo abbiamo consegnato in forma HTML, quindi come un “libro elettronico” a pagine interconnesse. Di questo lavoro abbiamo selezionato i passaggi più importanti per il dossier, il lavoro globale potrà essere vi- sto e letto sul sito, per ora ancora in fase di costruzione, del progetto globale:
www.idrogeno.ch.
RICERCHE E LAVORI DI GRUPPO & PERSONALI 1
1.. TTeeccnnicicaa ddii pprroodduuzziioonne e ee ssttooccccaaggggiioo ddeellll’’iiddrroogegenno o ((SSiillvviioo,, LLuuccaa))
Nello sviluppo di auto a idrogeno il problema della produzione e dello stoccaggio del nuovo combustibile, con cui si dovrebbe sostituire la benzina, ha effetti notevoli su economia e tec- nologia. Innanzitutto l'idrogeno gassoso necessario ad autonomie di spostamento accettabili occuperebbe troppo spazio sulla vettura (causa: il contenuto calorico dell'idrogeno per unità di massa è paragonabile a quello della benzina, ma nel rapporto con l'unità di volume il gas è svantaggiato), mentre l'idrogeno liquido, necessario per i motori a combustione interna, è più costoso e deve essere mantenuto in serbatoi a tenuta stagna a temperature di circa 250° sotto lo zero!
Un limite, anche se banale, va evidenziato: la produzione d'idrogeno via elettrolisi dell'acqua in tempo reale durante un viaggio con le auto del futuro prossimo è irreale, troppo lenta anche per un serbatoio piccolo di un’automobilina come quella che abbiamo provato noi nella parte sperimentale di questo lavoro. Un generatore comune impiega 2 giorni interi a piena potenza per riempire di idrogeno gassoso un recipiente per un'autonomia di 100-200 km.
Immagine: una stazione di rifornimento d’idrogeno liquido con il distributore e le cisterne criogeniche, a destra il serbatoio d’idrogeno nel vano del baule di una Corvette Cobra, giusto per rendersi conto del problema spazio. Nell’immagine sotto il serbatoio di questa Opel è già sistemato meglio.
Si stanno però mettendo a punto delle sostanze capaci di fare da "spugna", assorbendo l'idro- geno e rilasciandolo se vengono riscaldate o sollecitate elettricamente. Sono gli "idruri metal- lici" come l'idruro di magnesio che permettono di portare quantità maggiori di idrogeno, a temperatura ambiente e senza rischi. Un’ altra soluzione, leggermente diversa nelle sue carat- teristiche fisiche, è quella degli idruri dei metalli di transizione come il nichel o leghe del ni- chel con metalli simili. Anche qui l'assorbimento del gas nella struttura cristallina del metallo o della lega è sorprendente! Per il futuro si stanno studiando materiali ancora più assorbenti come i nanotubi di carbonio, gli zeoliti ecc.
La produzione attuale d'idrogeno avviene su scala mondiale in due modi:
a) elettrolisi dell'acqua (processo costoso, 4% di uso nella produzione d'idrogeno); e
b) lo "steam reforming" del metano per un buon 50% di uso (processo meno costoso di tutti, qui si inizia a decomporre il metano in presenza di vapore acqueo a temperature e pressioni elevate e si fa poi reagire il prodotto intermedio, monossido di carbonio, CO, sempre con il vapore per produrre in una resa del 70-80% l'idrogeno).
Altri metodi risultano poi di nuovo tecnicamente complicati ed economicamente svantaggiosi.
Comunque sia la tecnologia scelta, l'obiettivo è quello di avere un serbatoio con almeno 5 kg d'idrogeno a bordo in modo da poter coprire una tratta tra i 480 e gli 800 km con un pieno! I prototipi che stanno provando doppi serbatoi e sistemi ibridi dovranno poi risolvere il pro- blema del peso delle componenti e dell'ingombro creato.
Per una discussione completa del tema nelle sue varianti principali rimandiamo al lavoro completo sul sito www.idrogeno.ch.
22.. SSisistteemmaa iibbrriiddoo:: ididrrooggeennoo ee mmoottoorere eelleetttrtriiccoo ((LLuuccaa))
Esistono due tipi di motori ad idrogeno: il primo sfrutta la combustione diretta con l'ossigeno dell'aria, si tratta di un motore a scoppio o meglio di un motore a combustione interna, HICE, mentre il secondo trasforma prima il combustibile in corrente elettrica grazie ad una cella a combustibile e poi aziona un motore elettrico. In questo capitolo ci occupiamo solo del secondo caso. Sarà citato solo l’esempio della BMW serie 700 all’idrogeno per il caso del motore a combustione interna: la casa tedesca punta sull’idrogeno liquido e sul motore a combustione ampiamente trattato da immagini e filmati nel lavoro completo. Le nostre pagine trattano ancora le seguenti possibilità: il motore a idrogeno prodotto on-board dalla benzina e il potenziamento della combustione della benzina con aggiunta d’idrogeno.
Un’ automobile a idrogeno con cella a combustibile é costituita da un serbatoio contenente i- drogeno, una cella elettrolitica per la trasformazione dell'idrogeno in corrente elettrica (cella a combustibile) e da un motore elettrico che muove l'albero collegato alle ruote.
Nell’immagine seguente (che sul sito è animata) si può vedere il funzionamento di una cella a combustibile. Descrizione:
l'idrogeno giunge dal serbatoio, tramite un catalizzatore (platino) gli viene "tolto" un elettrone ad ogni atomo. L’elettrone finisce nel circuito elettrico, mentre l'atomo di idrogeno ora positi- vo (protone) migra attraverso una specie di membrana (di tipo PEM in questo caso) verso l'al-
tro elettrodo dove si combinerà con ioni negativi d'ossigeno, formando acqua come unico prodotto di scarto.
Questo è il concetto, per esempio, del modello Chrysler Minivan mostrato dal disegno qui sotto (l'idrogeno viene generato da un serbatoio all'idruro):
Nel nostro esperimento il modellino dell'auto all'idrogeno (sopra a destra in immagine) era dotato di un motorino elettrico, mentre l'idrogeno veniva prodotto via elettrolisi dall'acqua tramite un elettrolizzatore invertibile e trasformabile in cella a combustibile, quindi due fasi:
a) produzione di idrogeno immagazzinato a bordo;
b) allaccio della linea del gas con la cella a combustibile. Infine il motorino sfruttava i 10 ml di gas prodotto prima per fare un viaggio di 20-30 m nel corridoio della SPAI!
3.3. LLee rreeaazziioonnii cchhimimiicchhee ((MMaattteteoo))
Le reazioni chimiche che bisogna conoscere in questo contesto sono poi solo due: la sintesi dell’acqua dagli elementi e l’elettrolisi dell’acqua per decomporla negli elementi idrogeno ed ossigeno tramite l’uso della corrente elettrica.
1) Sintesi dell'acqua ovvero la reazione del "gas tonante" (nome che deriva dall’accensione del miscuglio idrogeno - ossigeno):
Questa reazione viene sfruttata dai motori a combustione interna con idrogeno ma anche dalle celle a combustibile. I primi vedono liberarsi dagli atomi un'energia di 242 kJ per mole (1 mole = 18 g) di vapore acqueo (questo poi condensa ed è espulso dallo scarico) di cui solo 229 kJ sono utilizzabili per compiere lavoro sui pistoni dei cilindri (per la spiegazione di que- sto fatto consultare PF i manuali di chimica o di termodinamica). Questa reazione richiede un attento controllo delle condizioni di temperatura e pressione, poiché in certi casi può essere particolarmente violenta!
Nel caso delle celle a combustibile il prodotto non è vapore acqueo ma goccioline di acqua e allora l'energia sfruttabile per il lavoro elettrico (per muovere elettroni nel circuito) è di 237 kJ per mole di acqua. Qui la reazione non è esplosiva poiché c’è ricombinazione tra particelle dotate di carica elettrica in presenza di catalizzatori.
2) Elettrolisi ovvero semplicemente l'inverso dell'equazione vista sopra nello, stato liquido, e perciò bisogna fornire esternamente l'energia di 237 kJ/mol tramite un generatore a corrente continua oppure una batteria che dia al minimo 1.23 V.
L'elettrolisi dell'acqua avviene in una cella elettrolitica come quella schematizzata qui sotto, per i dettagli delle reazioni ai due elettrodi si rimanda al lavoro dedicato solo all’elettrolisi stessa.
44.. IIll nnoossttroro eessppeerriimmeenntto o ccoonn ll’’aauuttoo aadd iiddrrooggeennoo ((SSililvviioo,, LLuuccaa))
Con questa semplice macchinina all'idrogeno siamo riusciti ad osservare da vicino il funzio- namento dell'elettrolisi combinata alla cella a combustibile per produrre dall'idrogeno corrente elettrica e alimentare il motorino:
Procedimento:
1) Inserire l'acqua distillata nella parte inferiore dei cilindri all'inizio pieni di aria, spingendo un po' con i tappi oppure usando una pipetta, dopodiché adagiare la cella sul modellino senza coprire con i tappi la parte superiore delle colonne.
2) Alimentare (vedi sopra) con un generatore di corrente continua (o in un'altra variante con una cella fotovoltaica) a 5 V e osservare l'acqua che sale nella parte superiore per lasciare spazio all'idrogeno e all'ossigeno, nella foto sotto si vedono le bollicine dei due gas uscire, se- gno che i serbatoi sono pieni di gas!
3) A questo punto togliere i cavetti di alimentazione e collegare i cavi del motore alle prese della cella a combustibile che in questo caso è anche l'elettrolizzatore. Se il motore gira, l'e- sperimento si può definire riuscito.
Il modellino con la cella a combustibile reversibile in nostro possesso è l' Hydro-Genius HYCO della Heliocentris Energiesysteme di Berlino (D) ed ha percorso circa 20 m con una sola carica di idrogeno (circa 10-15 ml). La cella a combustibile fornisce al massimo 1.4-1.8 V e 0.5 A, noi abbiamo sfruttato 0.14-0.15 A. Malgrado l'aspetto promettente in fatto di nuova tecnica rispettosa dell'ambiente, bisogna dire che non è difficile produrre a bordo l'idrogeno dall'acqua mentre il veicolo viaggia, anche se ci fosse una seconda cella a combustibile. Il si- stema più pratico non può evitare di produrre l'idrogeno a parte, immagazzinarlo ed usarlo poi per un motore del genere.
5.5. IIll ccaammbbiiaammeennttoo nenellllaa ssoocciieettàà ((FFiioorreennzzoo)) a) mezzi di trasporto
I veicoli funzionanti a benzina dovranno essere sostituiti con altri, funzionanti invece ad i- drogeno oppure elettrici. Questo comporterà delle spese. Si dovrà trovare un modo per smalti- re i vecchi mezzi di trasporto che diventeranno obsoleti. Si dovranno inoltre tenere dei corsi sull'utilizzo e la manutenzione di questi nuovi veicoli.
b) carburante
Tutte le stazioni di servizio e i metodi di trasporto del carburante dovranno essere sostituite.
Anche questo comporterà spese. Le stazioni di servizio dovranno apportare nuovi metodi per la distribuzione dell'idrogeno ed anche nuovi sistemi di sicurezza, come nella foto sotto che riguarda il progetto della Shell per l'Islanda, iniziato alcuni anni fa e ora portato a livello di bus all'idrogeno.
Si dovranno sviluppare in tempo le caratteristiche dei nuovi serbatoi.
6.6. IIll ppaarraaggoonnee coconn uunn’’aauutoto aa bbeennzizinnaa ((MMaatttteeoo)) a) Costi (grafico non in scala)
Un motore a idrogeno costa oggi approssimativamente 10 volte (30-40 mila $) un normale motore a benzina (3 mila $).
b) Efficacia (grafico non in scala)
Solo un quinto dell'energia prodotta da un automobile a benzina viene utilizzata per lo spo- stamento, dovuto ai seguenti motivi: non tutto il combustibile iniettato nel motore viene bru- ciato; la potenza è dissipata negli ingranaggi e nell'albero di azionamento; la potenza è deviata dai sistemi ausiliari (attriti).
I prototipi correnti dell'idrogeno hanno un’ efficacia dell’80-83 % concernente l’energia del combustibile trasformata in lavoro. In fatto di consumi il motore a idrogeno rispetto alla ben- zina ha un rendimento di 70-80 miglia per gallone, che corrisponde a 116-133 km per 3.8 litri.
I veicoli a idrogeno possono viaggiare da 250 a 400 miglia (416-666 km) con un solo riforni- mento di carburante, mentre un veicolo a benzina può compiere da 500-700 km (a dipendenza del carburante immesso e del tipo di motore). Quindi il rendimento rispetto al volume
d’idrogeno liquido o alla massa è molto buono per l’idrogeno, anche se l’autonomia di corsa delle macchine è minore di quelle convenzionali, a causa del problema del volume del serba- toio!
Il grafico qui accanto mette a confronto i diver- si motori a seconda della loro potenza con evidenti vantaggi per la cella combustibile, un sistema efficace ma non esplosi- vo nelle sue reazioni!
7.7. AAssppeettttii ppoossiittiivvii && neneggaattiivvii ddeellll’’iiddrrooggeennoo ((MMaatttteeoo)) a) Aspetti positivi
L'idrogeno è un carburante illimitato in fatto di riserve in quanto lo si può ricavare dall'acqua, di questa la Terra ne ha tanta (anche se non dovunque), un buon 70% della superficie terrestre è ricoperto di acqua.
Senza o quasi senza inquinamento, unico gas di scarico è il vapore acqueo e un po’ di ossidi dell’azoto nel caso dei motori a combustione, la tecnologia è più rispettosa dell'ambiente.
I motori all’idrogeno sono molto silenziosi, sicuri e durevoli.
L’efficienza dei motori è alta in fatto di percentuale dell’energia del motore trasformata in la- voro.
La gamma delle applicazioni è molto vasta.
Come combustibile l’idrogeno è flessibile in quanto può venir immagazzinato e trasportato in varie maniere: gas freddo o a temperatura normale, sotto pressione oppure no, liquido crioge- nico, idruro in serbatoi metallici oppure molecolare in quelli agli zeoliti.
L’alimentazione del motore ad idrogeno è di alta qualità.
b) Aspetti negativi
Il costo delle cellule di combustibile e del serbatoio è molto alto ancora oggi.
Il costo dei veicoli a idrogeno è di conseguenza pure molto alto, anche se uno dei motivi è lo stato di sviluppo, siamo solo a livello di prototipi, una produzione in massa farebbe qualcosa
…
Per la commercializzazione e la produzione di massa si richiederà: una riduzione dei costi dei vari componenti, accettazione di standard nella produzione per non avere una macedonia di modelli e pezzi di ricambio, un buon management della sicurezza, misure legali di accompa- gnamento appropriate, il tutto onde facilitare anche l'investimento nel nuovo!
RISULTATO DI GRUPPO
Il risultato del nostro lavoro e un sito HTML che sarà pubblicato sotto www.idrogeno.ch Abbiamo scelto questo tipo di presentazione perché in internet non esiste un sito completo su questo tema, soprattutto in italiano, invece facendo così tutti assieme riusciremo a creare un sito abbastanza completo.
Le nostre stesse pagine (una dozzina) sono organizzate in un documento HTML con la se- guente struttura tratta dal sommario in seconda pagina:
Introduzione
Suddivisione dei compiti nel gruppo Tecnica di produzione e stoccaggio dell'idrogeno
Tecnica del motore Esempi di prototipi Reazioni chimiche nel motore
Sicurezza
Cambiamento nella società Aspetti positivi e negativi Paragone con un auto a benzina
Conclusione Foto e filmati
Ci sono ovviamente sottocapitoli, da tutto questo abbiamo tratto il capitolo precedente di que- sto dossier. Ognuno ha partecipato alle pagine con alcuni lavori semplici ma anche originali.
Tra i numerosissimi progetti all’idrogeno esistenti abbiamo studiato solo quelli legati al mon- do dell’auto. Guardando i vari capitoli si nota la nostra scelta di studiare un po’ più a fondo il problema tecnologico del serbatoio, più che i vari tipi di motori o prototipi, oppure aspetti di design. L’incontro con nuovi materiali finora sconosciuti ha destato interesse e perciò ci ab- biamo dedicato l’ampia pagina del serbatoio con tante immagini. Gli aspetti chimici del resto non erano dei più facili, ma ci siamo impegnati a superare le difficoltà.
CONCLUSIONE
Questo progetto ci è stato molto utile; abbiamo imparato moltissimo riguardo l’utilità
dell’energia dataci dall’idrogeno. Abbiamo svolto questo lavoro perché è richiesto nella matu- rità professionale.
All’inizio dell’anno non c’era nemmeno un docente che aveva previsto di fare il lavoro inter- disciplinare con la nostra classe IMA E3, “SIAMO STATI DIMENTICATI?”
Poi siamo andati ad informarci perché è un lavoro che DEVE essere svolto (secondo il pro- gramma quadro della maturità tecnica professionale) e siamo stati inseriti nel progetto
dell’idrogeno assieme ad altre due classi fino a raggiungere un totale di circa 30 allievi; troppi per un bel lavoro!
All’inizio del progetto ci siamo divertiti, il tutto era molto interessante e prometteva bene;
verso la fine del progetto sono sorti vari problemi di comunicazione, trattamento dei lavori svolti, comprensione dei lavori ancora da finire e vari altri problemi, perfino i professori che ci seguivano hanno accusato stanchezza.
C’è da dire che nonostante tutti i problemi sorti siamo riusciti comunque ad acquisire molte conoscenze sul tema.
Noi proponiamo di organizzare l’inserimento di almeno i mezzi pubblici funzionanti ad idro- geno o ad altre energie rinnovabili e alternative al petrolio. Riuscire in qualche modo ad inse- rire in ogni casa una propria cella combustibile così ognuno diventerebbe autonomo.
La sostituzione dei mezzi pubblici può e dovrà essere un obbiettivo realizzabile, mentre l’inserimento in ogni casa di una cella combustibile sarà un po’ più complicato da raggiunge- re.