ENERGIAIMPATTOZERO.IT

SFRUTTAMENTO SIMULTANEO DI PIU' FONTI DI ENERGIA

Le Fuel-cell (celle a combustibile) ad idrogeno possono essere sfruttate in un impianto cogenerativo domestico, in cui vi è produzione congiunta e contemporanea di energia elettrica e calore. Tali impianti collegano tra loro diverse fonti energetiche in modo da assicurare una disponibilità di energia durante tutta la giornata. Un esempio pratico di applicazione può essere il combinare un sistema a pannelli fotovoltaici e generatori a pale eoliche con una Fuel-cell. In questo modo sarà possibile avere disponibilità di energia elettrica in ogni condizione atmosferica, sfruttando il sole e il vento, quando possibile, e immagazzinando la sovrapproduzione sotto forma di idrogeno; questo costituirà la nostra scorta di energia, utilizzabile sia nel caso in cui vengano a mancare altre fonti, sia come combustibile all’interno di un’automobile. Più in dettaglio, durante il giorno sarà possibile utilizzare l’energia solare sia per il riscaldamento domestico, sia, abbinata all’energia eolica, per produrre energia durante la sera e la notte, quando cioè non è più possibile sfruttare l’energia fornita dal sole. Il funzionamento di questi impianti ibridi è estremamente semplice, poiché l’energia necessaria per azionare la Fuel-cell è ottenuta direttamente dalle fonti di energia rinnovabile. Ovviamente l’energia prodotta dal rinnovabile non sarà elevata, ma sufficiente per garantire una discreta, se non completa autosufficienza energetica e un guadagno in bolletta, conseguente al graduale ammortizzamento dei costi sostenuti per la messa in opera dell’impianto. Ad oggi i maggiori impedimenti a questo tipo di strutture domestiche sono gli elevati costi di stoccaggio, nonché la potenziale pericolosità di un gas altamente infiammabile come l’idrogeno. Questo stesso processo di produzione energetica può essere applicato, oltre che a case ecologiche, anche a edifici di grandi dimensioni; ne è un esempio il grattacielo di prossima costruzione a Dubai, alto 250 metri, con piani rotanti staccati uno dall'altro, così da potersi muovere in modo indipendente. metri di prossima costruzione a Dubai. Questo edificio, sarà autosufficiente dal punto di vista energetico, grazie allo sfruttamento dell'energia del vento e del sole. Curioso che il grattacielo sia stato progettato in Italia, per la precisione a Firenze, da David Fisher (l'inventore), Fabio Bettazzi e Marco Sala, con la partecipazione di Leslie Robertson, l'ingegnere statunitense ideatore del «World Trade Center» di New York.

AUTOMOBILI ECOLOGICHE

Tra la fine ed inizio secolo sono stati sviluppati numerosi prototipi di mezzi di trasporto dotati di pile a combustibile e quasi tutte le case automobilistiche hanno sviluppato uno o più progetti, anche con soluzioni particolarmente interessanti. Alcune soluzioni hanno potenzialmente un costo di produzione e una autonomia accettabili, il limite maggiore per una diffusione consiste nella mancanza del sistema di rifornimento dell'idrogeno, compresso o liquefatto, e il costo del carburante stesso.
Altre soluzioni prevedono l'utilizzo di combustibili alcoolici o chimici per i quali è possibile utilizzare una rete di distribuzione simile all'attuale, ma anche il costo di tali combustibili è ancora alto.
In generale il problema principale è ancora la scelta della miglior forma di combustibile, anche in rapporto alla sicurezza.
Le fuel cell adottate sono quasi esclusivamente di tipo PEM, le più adattabili a sistemi mobili (nella trazione di veicoli, ma anche in applicazioni stazionarie di piccola potenza, come gruppi di continuità e piccoli generatori indipendenti).

L'illustrazione dei prototipi auto è suddivisa in base al sistema combustibile che adotta:

• Idrogeno compresso in bombole
• Idruri chimici: cioè sali (come il sodio boroidruro) che, quando introdotti nel serbatoio dell'auto, sono diluiti in acqua, generando "acqua salata" che viene fatta passare per un sistema catalitico che rilascia idrogeno
• Metanolo e alcool;
• Idrogeno criogenico (ovvero idrogeno liquido)

Veicoli alimentati ad idrogeno compresso
E' la tecnologia di più "vecchia" concezione ed è anche la tecnologia più vicina ad un inserimento nel mercato, con idrogeno compresso in bombole. Vi sono prototipi di tutti i mezzi di trasporto. In USA alcune marche stanno proponendo auto ad idrogeno compresso con un canone mensile di circa 600 Euro. Uno svantaggio sono i problemi di sicurezza, che non vanno esagerati ma che sono comunque presenti. In caso di impatto, un veicolo che porta bombole di idrogeno compresso non è meno sicuro di uno a carburante liquido oppure a metano. Tuttavia, perdite di idrogeno dalle bombole sono pericolose in quanto l’idrogeno è molto più infiammabile – per esempio – del metano. I vantaggi invece sono costituiti dalla semplicità del sistema e dalla sua economicità.

La Toyota FCHV4, che utilizza un serbatoio di idrogeno puro a 250 bar, ha una velocità superiore ai 150 kmh , ma un'autonomia limitata, è assieme alla Honda l'unica vettura ad idrogeno in commercio (in Giappone e USA, solo a enti pubblici). Il prototipo è all'avanguardia, ma il costo è il problema maggiore oltre alla mancanza di infrastrutture per il rifornimento di idrogeno compresso.

La General Motor si caraterezza per essere all'avanguardia sul concetto di "sistema integrato" sopratutto sull'ultimo prototipo, nel quale sono concentrate molte innovazioni: sistema by-wire unito alle fuel cell ed a un sistema di serbatoi ad alta pressione in fibra di carbonio composita che permettono una buona autonomia anche utilizzando idrogeno compresso (oltre 600 bar), cosa che non è possibile ad altri prototipi che utilizzano lo stesso sistema ma a "soli" 250-300 bar, con serbatoi in metallo.

La Mercedes ha dichiarato di voler immettere nel mercato a breve scadenza un modello Classe A alimentato a idrogeno compresso con una autonomia limitata a 150 km e una velocità massima di 140 km/h.

La Hyundai FCEV ha 200 Km di autonomia; molti prototipi ad idrogeno compresso sono allestiti con modelli SUV, probabilmente per dissimulare meglio i voluminosi contenitori ad alta pressione, salvo poi avere maggiori consumi dato il peso e volumi da veicolare.

Auto fuel cell a idruri chimici
Ad oggi esiste una sola società che sia riuscita a sviluppare un sistema di rifornimento ad idrogeno puro, ad alta densità, a sicurezza intrinseca e sopratutto che risolva il problema di accumulo, trasporto e distribuzione del combustibile. Tutto ciò è possibile sviluppando un carburante chimico adatto alle fuel cell e riciclabile in un ciclo chiuso, nel quale alle varie trasformazioni viene solo aggiunto idrogeno. Il carburante è composto da un sale ( NaBH4, sodio boroidruro) che, quando viene introdotto nel serbatoio dell'auto, è diluito in acqua. Questa "acqua salata" ( non tossica e non infiammabile) fatta passare per un sistema catalitico rilascia idrogeno "su domanda", cioè l'idrogeno viene prodotto al momento del bisogno per cui l'idrogeno "libero" nel sistema è presente in parti minime, riducendo a zero i rischi di incendi e/o esplosioni. A valle del processo catalitico oltre all'idrogeno si ha del borace (NaBO2, borato di sodio), un composto chimico non nocivo utilizzato nell'industria dei detersivi. I vantaggi dello stoccaggio in idruri metallici sono costituiti dalla bassa pressione di caricamento, dalla elevata densità di energia in volume raggiungibile, e dall'elevato livello di sicurezza che il sistema permette di raggiungere. Lo svantaggio principale è il peso elevato che il dispositivo di accumulo presenta che, a parità di energia, è superiore a quello di un sistema a idrogeno compresso. Il sistema installato su un minivan è dislocato interamente sul pianale e non pregiudica l'abitabità della vettura di serie originale. Dopo essere passato per il catalizzatore il carburante processato viene recuperato in un altro serbatoio sotto forma di borace, un composto chimico simile al sapone, anche questo non tossico e riciclabile industrialmente in nuovo carburante (l'unico elemento che entra ed esce nel processo è idrogeno puro). Questa è una tecnologia che potrebbe essere considerata ottimale se sarà messo a punto un sistema a costi sostenibili. Nel gruppo catalizzatore della Millennium Cell il processo catalitico avviene per mezzo di contatti con rutenio.

I prototipi dimostrativi presentati con questa tecnologia sono due: Chrysler Natrium, presentato all'inizio del 2002, ha una autonomia superiore ai 500 Km e una velocità superiore ai 150km/h.

Peugeot H2O, presentato in autunno del 2003, nel quale la quantità di idrogeno presente nel ciclo non supera mai i 2,5 grammi, l'equivalente di un bicchiere di benzina.

Prototipi a fuel cell alimentati con carburanti ad alcool
Ad oggi esistono solo prototipi alimentati ad alcool metilico (metanolo), prototipi ad etanolo sono ancora nella fase di progetto. Rispetto all'idrogeno, il metanolo è più semplice da immagazzinare.

La Daimler Chrysler ha sviluppato una tecnologia che utilizza metanolo per risolvere il problema dell'accumulo di idrogeno, in modo da renderlo disponibile " al distributore ", senza dover creare una apposita rete di distribuzione. Il metanolo viene volatilizzato insieme ad acqua ed inserito nel reformer, qui la miscela viene in contatto con un catalizzatore (della Basf ) a base di ossido di rame ed altri ossidi di metallo . Ad una temperatura di funzionamento che varia da 200°C a 350°C, il metanolo e l'acqua sono convertiti in idrogeno ed in anidride carbonica e l'idrogeno alimenta una fuel cell di tipo PEM per ottenere l'energia elettrica. Il prototipo è dotato di un reattore ATR (Reformer AutoTermico). In questo dispositivo d'avviamento il metanolo, insieme ad acqua e ad aria, è riformato parzialmente in idrogeno e parzialmente combusto, ciò porta rapidamente il sistema d'avviamento alla giusta temperatura di funzionamento.
I prototipi realizzati sono due, il Necar 3 realizzato nel 1997 e il Necar 5 nel 2000, l'efficienza del sistema, data la necessità di calore per il reformer catalitico, è del 25%.

La Nissan ha presentato nel 1999 il suo prototipo a metanolo, la R'NESSA FCV. La Honda FCV-V2, alimentata a metanolo, è anch'essa un prototipo del 1999.

Veicoli alimentati ad idrogeno liquido
Prototipi alimentati ad idrogeno liquido sono stati sviluppati dalle maggiori case automobilistiche, i maggiori sostenitori di questa soluzione sono BMW e Opel, però i prototipi della BMW sono spinti da propulsori a combustione interna e non da fuel cell. Lo svantaggio principale sta nella necessità di mantenere la temperatura costantemente sotto i 21 K (-253 °C) per mantenerlo liquido, ed evitare le perdite per evaporazione. I vantaggi stanno invece nel fatto che a parità di energia accumulata l’idrogeno liquido pesa meno di tutti gli altri combustibili e, in particolare, circa 2,7 volte meno della benzina, migliorando così le prestazioni del veicolo.

La BMW Serie 7 è la prima berlina di lusso interamente ad idrogeno al mondo. Ha caratteristiche che la rendono potente e affidabile, né più, né meno, di un’auto a benzina; si dota di ben 12 cilindri in grado di erogare 260 cavalli di potenza e capace di accelerare, da 0 a 100 orari, in 9,5 secondi, raggiungendo una velocità massima, limitata elettronicamente, di ben 230 orari. Il problema della scarsa distribuzione di colonnine di idrogeno lungo la rete stradale è stato superato dai costruttori prevedendo in vettura la doppia alimentazione benzina/idrogeno e dando la possibilità a quest’auto di godere di un’autonomia di oltre 700 chilometri con un pieno.

La Hydrogen3, che ha completato con pieno successo una maratona di 10 mila km. Tutte le tecnologie sviluppate dai tecnici General Motors hanno prodotto un serbatoio da 68 litri, pari a 4,6 kg di idrogeno liquido, che ha assicurato la piena percorrenza di tutte le tappe di 500 km, con una velocità massima di 160 kmh.

La Honda FCX V3 ha una autonomia di 350 Km, velocità massima 150 Kmh e negli USA è possibile noleggiarla a 500 $ al mese (idrogeno liquido escluso).

Per il gruppo Mercedes, la versione 4 della Necar è stata la prima, nel 1999, ad essere assemblata con tutti i componenti di trazione nel pianale dell'auto, conservando tutti gli spazi interni della vettura originale. La pila a combustibile ha una potenza di 75Hp (55 kW) e l'autonomia è di 450 km.