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OrizzontEnergia

Auto a idrogeno

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Div/1 EN/4 RISP/MOBILITA'_AUTO IDR_Div1_targa idrog.jpgMolto spesso l'idrogenoidrogeno
Primo elemento della tavola periodica, presente sulla Terra in forma combinata, soprattutto nell'acqua e nei composti organici. Esso è costituito da 3 isotopi: prozio (cioè l'idrogeno propriamente detto) per più del 99.9 %, il deuterio e il trizio. La forma molecolare dell'idrogeno (H2) dà origine ad un gas inodore, incolore, altamente infiammabile e molto più leggero dell'aria (ecco perché lo si trova in bassissime concentrazioni in atmosfera).
viene indicato come una soluzione definitiva al problema energetico e al problema dell'inquinamento ambientale, perché rappresenta un'energiaenergia
Fisicamente parlando, l'energia è definita come la capacità di un corpo di compiere lavoro e le forme in cui essa può presentarsi sono molteplici a livello macroscopico o a livello atomico. L'unità di misura derivata del Sistema Internazionale è il joule (simbolo J)
“pulita”.

Ma è davvero una rivoluzione tecnologica alle porte?? È perché sulle nostre strade non circolano veicoli ad idrogeno??

L’idea di poter sfruttare l’elemento più diffuso nell’universo e sulla Terra per muovere le nostre automobili è molto attraente, ma nella realtà si scontra con gli elevati costi e con la mancanza di infrastrutture adeguate di distribuzionedistribuzione
Attività di trasporto (di elettricità o di gas) agli utilizzatori finali attraverso le reti di distribuzione.
dell’idrogeno presso gli utilizzatori finali.

Questo accade perché la natura chimico-fisica dell’idrogeno porta ad alcune complicazioni nella progettazione di tali sistemi.

Il totale passaggio ad un’economia ad idrogeno implica innanzitutto sistemi efficienti di produzione di questo elemento, che non è una fonte energetica ma un VETTORE ENERGETICO, come l'elettricità. Questo significa che non è disponibile in natura in forma molecolare 'libera', cioè come H2, pronto per essere utilizzato (in realtà lo si trova, ma in quantità ridottissime), ma che bisogna prima produrlo a partire dalle sostanze che lo contengono, poi sfruttarlo per i vari usi.

Produrre idrogeno costa in termini energetici, perché bisogna spendere molta energia per ricavarlo: i metodi adottati, infatti, hanno efficienze limitate, nel senso che impegnano molta potenzapotenza
Grandezza data dal rapporto tra il lavoro (sviluppato o assorbito) e il tempo impiegato a compierlo. Indica la rapidità con cui una forza compie lavoro. Nel Sistema Internazionale si misura in watt (W).
per produrre 'poco' idrogeno.

Anche la progettazione di motori per scopi di autotrazione presenta criticità non del tutto risolte.

È molto importante, però, che la ricerca in questo settore continui e che le case automobilistiche puntino allo sviluppo e all’introduzione di vetture ad idrogeno sul mercato.

Qualcosa si sta già muovendo. Ad esempio, a settembre del 2009, nove importanti gruppi automobilistici hanno firmato un accordo d’intesa per immettere sul mercato entro il 2015 un significativo numero di auto ad idrogeno a celle a combustibile.

Attualmente esistono progetti dimostrativi che hanno confermato la fattibilità di una rete capillare di distributori di idrogeno a partire dalle aree metropolitane fino alla copertura di tutto il territorio. Ma ci vorrà del tempo prima che tutto questo cambi il nostro modo di “fare il pieno”.

Div/1 EN/4 RISP/MOBILITA'_AUTO IDR_Div2_rifornim idr.JPGI primi tentativi di sviluppare un motore ad idrogeno risalgono al 1820, quando l’inglese W.Cecil in una memoria presentata alla Società Filosofica di Cambridge affermava di aver creato una macchina che produceva potenza attraverso il movimento di un pistone da una camera a pressione atmosferica verso una camera in cui è stato fatto il vuoto bruciando idrogeno.

Sessant’anni dopo l’inventore del ciclo dei motori a benzina, N. A. Otto, utilizzò all’interno di un motore a combustionecombustione
Processo chimico esotermico (ovvero che comporta sviluppo di calore) in cui il combustibile si combina con l'ossigeno presente nell'aria oppure appositamente separato (comburente). La reazione di combustione avviene previo innesco localizzato (accensione).
interna, su cui stava effettuando i suoi studi, un gas sintetico che conteneva circa il 50 % di idrogeno.

Oggi, le crescenti preoccupazioni sull’inquinamento atmosferico e la necessità di ridurre la dipendenza dalle fonti fossili hanno risvegliato l’interesse verso l’idrogeno come combustibile per autoveicoli, fin’ora ampiamente utilizzato soltanto in applicazioni “di nicchia”, per esempio nei programmi spaziali.

L’idrogeno per la movimentazione dei veicoli trova applicazione:

- nei normali motori in sostituzione della benzina

- nelle celle a combustibile che generano energia elettricaenergia elettrica
Forma di energia ottenibile dalla trasformazione di altre forme di energia primaria (combustibili fossili o rinnovabili) attraverso tecnologie e processi di carattere termodinamico (ovvero che coinvolgono scambi di calore) che avvengono nelle centrali elettriche. La sua qualità principale sta nel fatto che è facilmente trasportabile e direttamente utilizzabile dai consumatori finali. Si misura in Wh (wattora), e corrisponde all'energia prodotta in 1 ora da una macchina che ha una potenza di 1 W.
per far funzionare motori elettrici.

MOTORI A COMBUSTIONE INTERNA

L’idrogeno può essere impiegato in un motore in sostituzione della benzina, con il notevole vantaggio di emettere allo scaricoscarico
Qualsiasi immissione di acque reflue in acque superficiali, sul suolo, nel sottosuolo e in rete fognaria, indipendentemente dalla loro natura inquinante, anche sottoposte a preventivo trattamento di depurazione. Sono esclusi i rilasci di acque previsti all'art. 114 (rilasci da diga).
vapore acqueo anziché CO2CO2
Gas inodore, incolore e non infiammabile, la cui molecola è formato da un atomo di carbonio legato a due atomi di ossigeno. È uno dei gas più abbondanti nell'atmosfera, fondamentale nei processi vitali delle piante e degli animali (fotosintesi e respirazione).

e altri inquinanti (CO, idrocarburiidrocarburi
Composti chimici formati da carbonio e idrogeno che costituiscono il petrolio e il gas naturale. Esistono diverse classificazioni degli idrocarburi a seconda dei legami chimici presenti nelle molecole.
incombusti, particolatoparticolato
Insieme delle sostanze sospese in aria, composto da tutte quelle particelle solide e liquide che si disperdono in atmosfera a causa di fattori naturali (pollini, erosione di rocce, polvere cosmica, ecc..) e di fattori antropici (traffico urbano, emissioni da riscaldamento domestico, fumo di tabacco, centrali termoelettriche, ecc..).
)

Il problema sta nel fare rifornimento, perché l’idrogeno in forma gassosa è altamente esplosivo, difficile da trasportare e condensare se non a pressioni notevoli.

Alcune proprietà fisico-chimiche dell’idrogeno, infatti, ne influenzano il comportamento all’interno di un motore a combustione interna e devono essere attentamente valutate per un funzionamento dell’auto in sicurezza.

L’idrogeno ha una bassa energia di ignizione. Questo significa che è più facile far partire l’accensione di una miscela aria-idrogeno anche in condizioni di miscela povera, cioè con meno idrogeno rispetto alle condizioni ideali. Però le temperature che si sviluppano nel processo sono sufficienti a provocare l’ignizione prematura della miscela in condizioni pericolose e non controllate. Gli studi per migliorare l’applicabilità dei sistemi a combustione interna all’idrogeno mirano proprio a migliorare la progettazione del sistema di alimentazione di questo combustibile per ridurre il pericolo di ignizione prematura.

Un’altra proprietà dell’idrogeno che influisce sul suo funzionamento in un motore a scoppio è la bassa densità. Questo implica la necessità di avere volumi sufficientemente grandi dove poterlo contenere, con conseguenti problemi di spazio e di costo che, nell’ottimizzazione di un motore a combustione interna, sono parametri importantissimi da valutare.

Sebbene l'idrogeno abbia il maggior contenuto energetico a parità di peso (in termini di J/kg), rispetto agli altri idrocarburi, la sua bassa densità fa sì che, a parità di volume, il contenuto energetico sia più basso di circa tre volte . Di conseguenza, in modo molto intuitivo, si può concludere che per accumularne di più, si debba ricorrere a pressioni molto elevate o temperature molto basse per averlo in forma liquida.

Automobili del genere avrebbero complicazioni notevoli per quanto riguarda i sistemi di stoccaggiostoccaggio
Attività di raccolta e deposito di una determinata risorsa. 
a bordo, perché nei serbatoi di accumulo si raggiungerebbero pressioni di 200-250 bar o temperature di -250 °C, condizioni di funzionamento difficilmente gestibili su un autoveicolo.

L’ampio intervallo di infiammabilità dell’idrogeno fa sì che basta una piccola quantità di energia, per esempio un scintilla, per farlo detonare. Inoltre, essendo la fiamma che si sviluppa di colore blu chiaro, è difficile individuare dove ha luogo l’accensione.

Le problematiche legate all’utilizzo dell’idrogeno nei motori rappresentano un freno alla diffusione di tali veicoli perché ne complicano la progettazione a tal punto che i costi diventano troppo alti per poter interessare eventuali acquirenti sul mercato.

Nonostante ciò, quasi tutte le grandi case automobilistiche stanno progettando e sperimentando automobili ad idrogeno. Esse sono ancora lontane dalla maturità commerciale, ma la ricerca va avanti con l’obbiettivo di trovare soluzioni economicamente competitive per la produzione e la distribuzione dell’H2 e per lo stoccaggio efficiente e sicuro sul piano energetico.

La BMW che è stata una delle prime case automobilistiche a presentare un’automobile con motore a scoppio alimentato ad idrogeno. I recenti sviluppi del programma di ricerca denominato H2Bvplus, che vede la partecipazione dell’Università di Vienna e di Graz, hanno portato alla progettazione di un motore a pistoni alimentato ad idrogeno, con un rendimentorendimento
In termini generali il rendimento è il rapporto tra "quanto ottenuto" in un processo e "quanto speso" per fare avvenire lo stesso processo. In termodinamica rappresenta la capacità di un sistema di convertire l'input di calore in lavoro utile. Il rendimento è un numero puro (cioè non ha unità di misura) ed è sempre compreso tra 0 e 1. A seconda dei termini che vengono messi a confronto è possibile ottenere diverse tipologie di rendimento utili a definire la bontà di un processo o di una macchina (per esempio rendimento elettrico, rendimento termico, ecc..) ma il ragionamento alla base è sempre lo stesso.
del 43 %, superiore a quello del migliore turbodiesel in circolazione. I ricercatori ritengono che il rendimento potrà in futuro raggiungere il 50 %, grazie ad un migliore sfruttamento dell’energia e della temperatura dei prodotti di combustione dell’idrogeno. L’applicazione di un sistema di recupero di questo calore, infatti, potrebbe essere utilizzato per produrre almeno in parte l’energia elettrica necessaria a raffreddare l’idrogeno liquido all’interno del serbatoio.

La BMW sta concentrando i proprio sforzi di ricerca su motori a pistoni alimentati ad idrogeno, diversamente dagli altri costruttori che invece vedono l’idrogeno come combustibile all’interno di fuel cells per produrre elettricità e far andare auto elettriche.

CELLE A COMBUSTIBILE

Div/1 EN/4 RISP/MOBILITA'_AUTO IDR_Div3_celle comb.jpgLe fuel cells, in italiano celle a combustibile, sono sistemi in cui l'idrogeno, legandosi all'ossigeno produce energia elettrica ed acqua come prodotto della reazione.

Nelle celle a combustibile, quindi, si converte l’energia chimica del combustibile direttamente in energia elettrica ed energia termicaenergia termica
Calore.
.

Esistono diversi tipi di celle a combustibile (ognuna caratterizzata da vantaggi e svantaggi) ma il loro funzionamento prevede che l’idrogeno, una volta alimentato venga ‘privato’ dei suoi elettroni: a questo punto gli elettroni passano attraverso un circuito esterno creando una corrente elettrica, mentre le cariche positive migrano dalla parte opposta e si combinano con l’ossigeno per formare acqua.

Il principio di funzionamento è molto simile a quello di una comunissima pila o, meglio, di un accumulatore (per esempi quello usato per l’avviamento delle auto). La differenza sta nel fatto che negli accumulatori gli elettrodi sono generalmente attivi e si consumano (infatti possono essere ricaricati fino a qualche migliaio di volte). Nelle celle a combustibile, invece, i reagenti gassosi vengono alimentati con continuità agli elettrodi: non si esaurisce e non richiede ricarica, funziona fintanto che vengono forniti ai 2 elettrodi un combustibile e un ossidante.

La ‘struttura’ di una cella a combustibile è essenzialmente composta da:

- due elettrodi, anodo e catodo, cioè elementi conduttori che acquisiscono carica elettricacarica elettrica
Grandezza fisica scalare (ovvero identificata da un numero) misurabile che indica la "quantità di elettricità" di un corpo. Esistono cariche elettriche positive e negative. Cariche dello stesso segno si respingono, mentre cariche di segno opposto si attraggono. I fenomeni che si manifestano nell'elettrizzazione per strofinio dei solidi sono dovuti alle cariche elettriche presenti nei corpi. L'unità di misura è il Coulomb, pari alla carica di 6 x 1018 elettroni.
e consentono il flusso di elettroni. All’anodo viene alimentato idrogeno, mentre al catodo viene alimentata aria.

- Un elettrolita, realizzato in materiale che consente il flusso delle cariche positive (ioni) e impedisce il flusso di elettroni.

A causa di alcune perdite che si verificano nelle celle a combustibile (come in tutti i sistemi REALI), al crescere della corrente elettrica si assiste ad una riduzione della differenza di potenziale fra gli elettrodi, quindi, come conseguenza, ad una riduzione della corrente stessa. Per questo motivo si provvede a collegare in serie numerose celle a combustibile (stack), altrimenti la corrente (o meglio, la tensionetensione
Grandezza fisica che rappresenta l'energia necessaria a far fluire una carica elettrica tra due punti, per creare una corrente. Nel Sistema Internazionale si misura in Volt. Le linee elettriche possono essere ad altissima tensione (tensione nominale superiore a 150 kV), alta tensione (compresa fra 35 e 150 kV), media tensione (compresa fra 1 e 35 kV) e a bassa tensione (tensione inferiore a 1 kV).
) ottenuta non può essere utilizzata a fini pratici.

I vantaggi delle celle a combustibile sono:

- Elevati rendimenti di produzione di energia elettrica (> 40 %), poco dipendenti dalla dimensioni. Questi valori sono maggiori dei rendimenti dei motori a combustione interna convenzionali.

- Elevate affidabilità (non ci sono parti in movimento che hanno una maggiore probabilità di rompersi)

- Basso impatto ambientaleimpatto ambientale
L'insieme degli effetti (diretti e indiretti, nel breve o nel lungo termine, positivi o negativi, ecc..) che l'avvio di una determinata attività ha sull'ambiente naturale circostante.

- Silenziosità

Mentre la problematiche sono:

- Elevati costi di produzione rispetto alla vita utile.

- Necessitano di combustibili con basso contenuto di impurezze.

In conclusione si può affermare che le potenzialità dell’idrogeno nel settore dei trasporti sono evidenti, anche alla luce delle ridotte emissioni (CO2 e particolato).

Tuttavia la strada da percorrere è ancora lunga prima di poter affermare che costituisce una soluzione definitiva al problema energetico, anche a causa della mancanza di infrastrutture adeguate in grado di sostenere, da qui a breve, il totale passaggio ad un’economia ad idrogeno.


 

 

 

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