II
tempo, compromettere l’equilibrio dell’ecosistema in cui viviamo ed, in modo
più o meno diretto, la qualità della nostra salute.
L’altro motivo è di carattere energetico: le fonti a cui precedentemente si è fatto
riferimento, cioè quelle di origine fossile, indipendentemente dalle previsioni, più
o meno ottimistiche che siano, sono destinate a finire. L’energia necessaria a
tutte le attività umane potrebbe essere ottenuta a partire dalle fonti rinnovabili,
che, non dimentichiamo, hanno fornito all’uomo pre-rivoluzione industriale tutta
l’energia di cui aveva bisogno. Tralasciando quelli tecnologici, i limiti più
evidenti delle fonti rinnovabili sono legati all’intermittenza di generazione
subordinata alle condizioni climatiche presenti, nonché all’alternanza del dì e
della notte. Si rende, pertanto, necessario l’impiego di un vettore energetico
capace di accumulare l’energia quando quella prodotta supera le richieste e di
restituirla nei momenti di bisogno. Tale vettore energetico è l’idrogeno che può
essere impiegato efficientemente per produrre energia nelle celle a combustibile,
sia per applicazioni fisse che mobili.
In realtà qualcuno (e tra essi anche chi scrive queste righe) pensa, o forse spera,
che l’idrogeno possa promuovere un diverso modello societario non basato sulle
concentrazioni di potere e ricchezza tipico dell'era del petrolio, ma nel quale ogni
cittadino può acquistare liberamente l'energia di cui ha bisogno oppure vendere
quella in eccesso da egli stesso prodotta mediante sistemi basati su fonti
rinnovabili...insomma una nuova globalizzazione fatta "dal basso" [Rifkin,2002].
Questa soluzione prospettata, sebbene, sia estremamente ambiziosa non, deve
sembrare irrealizzabile.
III
Tornando nel mondo reale ad alle questioni più tangibili, nel presente lavoro di
tesi si prestato maggiore attenzione verso il settore dei trasporti, che insieme al
settore della produzione energetica, è quello che maggiormente incide sul
cambiamento climatico che caratterizza il nostro pianeta nel corso degli anni e
sul consumo delle fonti di energia non rinnovabili, in corso di esaurimento.
In tale ambito la soluzione prospettata è, appunto, la cella a combustibile ovvero
un dispositivo elettrochimico che converte direttamente l'energia chimica
contenuta nei reagenti (combustibile ed ossidante) in energia elettrica senza che
avvenga un normale processo di combustione, ovvero senza trasformare l'energia
chimica in termica e successivamente in meccanica come avviene in un
tradizionale motore a combustione interna. Ciò consente di ottenere, almeno
teoricamente, rendimenti superiori ai M.C.I perché non si è vincolati dal secondo
principio della termodinamica che impedisce la conversione di tutta l'energia
termica disponibile in energia meccanica limitando il rendimento del ciclo
termodinamico e, quindi, il rendimento della macchina che lo realizza.
Nelle celle a combustibile avvengono delle reazioni di ossidoriduzione, cioè delle
reazioni chimiche che portano alla formazione di nuove specie chimiche, i
prodotti, mediante un trasferimento di cariche elettriche, gli elettroni, tra i
reagenti della reazione.
Il principio di funzionamento di una cella a combustibile è legato alla possibilità
di indirizzare, gli elettroni che partecipano alla reazione di ossidoriduzione, verso
un carico esterno per ottenere energia elettrica. Questa viene utilizzata per
alimentare un motore elettrico che provvede alla trazione dell’autoveicolo.
IV
Teoricamente una cella a combustibile potrebbe funzionare con due qualsiasi
specie chimiche purchè queste realizzino una reazione redox, ma i risultati
migliori si ottengono impiegando idrogeno puro ed ossigeno, poiché solo in
questo modo allo scarico dell'autoveicolo troveremmo un gas totalmente non
inquinante: il vapore d'acqua
Nel campo della trazione terrestre un sistema di propulsione deve essere
caratterizzato da
• una elevata densità di potenza
• procedure di start-up veloci
• bassa rumorosità
Le celle che meglio rispondono a queste esigenze sono le PEM (Proton Exchange
Membrane) caratterizzate da un elettrolita polimerico che ha il compito di
trasferire il vettore di carica dall’anodo al catodo della cella.
Una sola cella a combustibile non è in grado di generare una tensione elettrica
sufficiente a muovere un'autovettura pertanto diversi dispositivi (50,100 o anche
più) vengono collegati in serie per dare origine al cosiddetto stack.
Affinché lo stack di celle possa funzionare sono necessari diversi componenti
ausiliari la cui integrazione con il resto del sistema è estremamente importante
per mantenere i maggiori rendimenti che le celle a combustibile garantiscono
rispetto ai tradizionali M.C.I.
Tra gli ausiliari un ruolo di primaria importanza è rivestita dal compressore. che
provvede ad inviare allo stack di celle, ed in particolare al catodo di ogni singola
cella, la quantità di aria e, soprattutto, alla giusta pressione per il funzionamento
V
dello stack. Incrementando la pressione di alimentazione dell’aria al catodo, si
ottengono i seguenti vantaggi: [Badami e Caldera, 2002]
• aumento della pressione parziale dell’ossigeno che facilita le reazioni al
catodo ed il trasporto di massa attraverso l’elettrodo, con un sensibile
incremento della tensione fornita dalle celle
• si riduce l'acqua richiesta per l'idratazione della membrana polimerica
semplificando la gestione dei flussi d'acqua on-board.
Tuttavia la compressione dell'aria ha un costo. Dal punto di vista energetico la
potenza richiesta dal compressore aumenta repentinamente con la pressione fino
a raggiungere il 25%, ed oltre, della potenza generata dalla pila di celle, ed
inoltre macchine capaci di raggiungere rapporti di compressione più elevati sono
caratterizzate da peso ed ingombri maggiori, aspetti non trascurabili nel campo
delle applicazioni mobili.
Per tale motivo nel presente lavoro di tesi viene effettuata una comparazione
energetica tra diverse macchine operatrici in relazione all'impiego citato, al fine
di individuare la soluzione più efficiente, o comunque individuare le
caratteristiche del sistema di compressione dell’aria ideale per alimentare una
uno stack di celle a combustibile.
Sono state analizzate le caratteristiche di tre compressori di cui due volumetrici,
il compressore alternativo ed il compressore screw (a vite) ed uno dinamico, il
compressore centrifugo e successivamente se ne è simulato il funzionamento
ricorrendo alla modellazione. Sebbene tali compressori siano dotati di
caratteristiche differenti e, per lo più, sono destinati a scopi e cambi di impiego
differenti, al fine di poter effettuare una equa comparazione ci si è sforzati di
VI
implementare modelli di macchine le cui prestazioni, in termini di portata
elaborata e rapporto di compressione realizzato, fossero quanto più possibili
simili tra loro ed ovviamente rispondenti alle richieste del sistema di celle. Per
ciascuna macchina sono state determinate le condizioni di massima efficienza, al
variare della portata massica, ed in corrispondenza di esse sono state determinate
le condizioni di funzionamento dello stack di celle. L’analisi è proseguita
valutando le condizioni di massima efficienza per il sistema di celle, cioè lo stack
ed i relativi ausiliari, e confrontando i risultati ottenuti con quelli in cui è il solo
sistema di alimentazione dell’aria a lavorare nelle condizioni di massima
efficienza.
I modelli realizzati, in ambiente Matlab-Simulink®, sono stati successivamente
implementati nel modello di un sistema di cella a combustibile utilizzato per la
trazione di un veicolo SUV, al fine di valutare durante un percorso reale,
comprendente un tratto urbano ed extraurbano, le caratteristiche di
funzionamento dei diversi compressori, con particolare riferimento alla potenza
assorbita ed alla efficienza energetica della macchina e dell’intero sistema di
celle.
Il presente lavoro di tesi si compone di quattro capitoli.
Nel primo capitolo, viene presentato l’attuale scenario energetico-ambientale al
fine di analizzare il crescente interesse maturato negli ultimi anni verso le celle a
combustibile e le fonti rinnovabili di energia. Particolare attenzione viene posta
verso il settore dei trasporti, che è quello che ha contribuito maggiormente ad
alimentare la diffusione dell’idea del combustibile pulito ed allo sviluppo dei
dispositivi elettrochimici, più idonei ad utilizzarlo: le celle a combustibile. Nello
VII
stesso capitolo vengono analizzati i vantaggi dei veicoli alimentati con celle a
combustibile, nonché verranno accennate le problematiche connesse con la
diffusione su larga scala degli stessi, con particolare riferimento ai sistemi di
immagazzinamento e di reforming.
Nel secondo capitolo, si affronterà una descrizione generale dei principi che
regolano il funzionamento delle celle a combustibile e verranno analizzate le
principali tipologie di celle. Maggiore attenzione sarà riservata alle celle ad
elettrolita polimerico (PEM), le cui caratteristiche sono quelle che meglio si
adattano a soddisfare le esigenze della trazione terrestre. Si accennerà, inoltre,
seppur brevemente all’importanza dei sistemi ausiliari, necessari per il corretto
funzionamento dello stack di celle, con particolare enfasi per il sistema di
compressione dell’aria, ritenuto uno dei componenti più critici nella
progettazione di un sistema di celle.
Nel terzo capitolo vengono analizzati diversi tipi di compressori, sia dinamici
(centrifugo), che volumetrici (alternativo e screw), evidenziandone le modalità di
funzionamento e le caratteristiche energetiche. Vengono, altresì, mostrati i
modelli, teorici o sperimentali, realizzati in ambiente Matlab-Simulink®, che
simulano il comportamento delle macchine citate.
Nel quarto capitolo vengono esposti i risultati delle simulazioni condotte sui
diversi compressori, in diverse condizioni di funzionamento. I diversi modelli
sono, infatti, stati realizzati in modo che fossero facilmente intercambiabili nel
modello di un sistema di celle a combustibile PEM, per la trazione terrestre. In
una fase iniziale verrà mostrata l’influenza della pressione di alimentazione
dell’aria sulla tensione e sulla potenza fornita da uno stack di celle a
VIII
combustibile, e verrà valutata la potenza assorbita dai diversi compressori al
variare della portata erogata (cioè della corrente fornita dalla cella) per diversi
valori del rapporto di compressione. Le analisi successive sono volte ad
evidenziare la differenza che intercorre tra le condizioni di massima efficienza
per il sistema di alimentazione dell’aria ed il Fuel Cell System. I modelli dei
diversi compressori, infine, sono stati implementati in un veicolo equipaggiato
con un stack di 330 celle PEM per valutare, durante un ciclo di guida reale, le
prestazioni energetiche degli stessi e dell’intero sistema di celle. L’analisi dei
risultati ottenuti è stato uno spunto fondamentale per la realizzazione di un
modello dinamico, per il compressore centrifugo, che potrà essere oggetto di
studio per un approfondimento successivo.
energia e ambiente
1.1 Scenario energetico-ambientale
1.1.1 Un po’ di storia…
L’energia ha avuto, e continua ad avere, un ruolo fondamentale nel processo
evolutivo che interessa tutta la natura dell’uomo e non è un caso che le diverse
tappe nello sviluppo della nostra civiltà siano contrassegnate dalla scoperta di
nuove fonti di energia o la realizzazione macchine capaci di sfruttare forme già
esistenti ma non utilizzate in modo efficiente.
Inizialmente l’uomo non disponeva che dell’energia prodotta dal proprio corpo
cioè del lavoro meccanico che egli stesso era in grado di produrre e su cui doveva
fare affidamento per soddisfare i propri fabbisogni primari. Successivamente
imparò a sfruttare l’energia messa a disposizione dalla natura, cioè l’acqua ed il
vento, che permisero di ottenere importanti progressi nel campo dell’agricoltura,
della pesca e dei trasporti contribuendo a migliorare il benessere del singolo, e
rendendo possibile la nascita delle prime forme di organizzazione sociale con
conseguente incremento della popolazione.
Ma solo negli ultimi due secoli, grazie alla scoperta della possibilità di convertire
l’energia termica, resa disponibile dalla combustione di un idrocarburo, in
energia meccanica che lo sviluppo economico e sociale ha subito un incremento
significativo fino a raggiungere lo stato di benessere che conosciamo
attualmente.
Tuttavia per motivi di carattere economico e politico e supportati anche dal
livello di benessere raggiunto nel mondo occidentale non si è messo in luce che
1
energia e ambiente
un modello societario così sviluppato non è compatibile, a lungo termine, con la
vita dell’uomo sulla Terra.
Infatti uno degli aspetti più critici della nostra società industrializzata è
rappresentato dal crescente inquinamento ambientale che mina la salute
dell’uomo e l’integrità dei luoghi in cui viviamo; un inquinamento ottenuto,
oltretutto, grazie all’utilizzo indiscriminato di fonti energetiche non rinnovabili
ovvero che, prima o poi, sono destinate ad esaurirsi ed a lasciare il pianeta in
panne.
1.1.2 Consumi energetici e fonti utilizzate
Oggi il consumo mondiale di energia si attesta a 10.3 miliardi di TEP
1
(Tonnellate Equivalenti di Petrolio), pari ad 1.7 TEP/anno pro capite. Come è
possibile rilevare dai dati forniti dall’IEO (International Energy Outlook)
esistono, però, enormi differenze da paese a paese: si va dai 7.9 TEP all’anno
procapite negli USA, ai 0.4 TEP dell’Asia meridionale, indice questo di un
differente grado di sviluppo ed avanzamento tecnologico dei vari popoli della
Terra.
1
TEP = 41,868*10
9
J
2
energia e ambiente
Fig. 1.1 Consumo di energia primaria nel modo
La domanda di energia è cresciuta rapidamente ad un ritmo vertiginoso negli
ultimi anni, e continuerà a crescere incessantemente, ed in modo ancora più
siginificativo, secondo le previsioni attuali fornite dal WEO (World Energy
Outlook).
consumi energetici mondiali [Mtep]
0
2000
4000
6000
8000
10000
12000
14000
16000
1970 1975 1980 1985 1990 1995 2000 2005 2010 2015 2020
passato futuro
Fig 1.2 Trend di crescita dei consumi di energia
3
energia e ambiente
Il principali motivi di questo aumento saranno:
• il generale aumento della popolazione terrestre, specialmente nei paesi in
via di sviluppo;
• l’aumento generale della qualità della vita (oggi circa 2 miliardi di persone
non hanno accesso a rifornimenti commerciali di energia);
• la crescita esplosiva della domanda di energia da parte dei paesi in via di
sviluppo (attualmente, ad esempio, il consumo pro capite di Cina ed India
è circa un decimo di quello degli USA).
In che modo, cioè attraverso quali fonti energetiche, la domanda attuale viene
soddisfatta e soprattutto quali sono le possibilità di soddisfare la domanda futura?
Come è possibile rilevare dai dati resi disponibili dall’IEO, allo stato attuale, i
combustibili di origine fossile, cioè il petrolio, il carbone ed il gas naturale,
costituiscono la quasi totalità delle fonti di energia primaria nel mondo. Un ruolo
marginale, purtroppo, è rappresentato dalle fonti rinnovabili e dal nucleare, la cui
presenza sembra destinata ad essere tale anche nei prossimi anni [IEO].
Fig 1.3 Ripartizione dei consumi di energia primaria per fonte
4
energia e ambiente
Il petrolio, attualmente principale fonte energetica utilizzata, avrà un ruolo
determinante anche nei prossimi anni. Infatti, secondo lo scenario evolutivo
previsto dall’ IEO 2003, si avrà un aumento della produzione mondiale di
petrolio del 2.3% annuo, da 77 (nel 2001) a 120 (nel 2025) milioni di barili al
giorno e tenendo conto dell’incremento della domanda energetica la quota di
utilizzo del petrolio rispetto al totale rimarrà invariato.
Il gas naturale, invece, si conferma come la fonte a crescita più rapida nei
consumi; si stima, infatti, un incremento medio annuo del 2.8% tale da superare
il consumo di carbone intorno al 2010. Ciò è legato ai vantaggi ambientali
derivanti dall’utilizzo di gas naturale rispetto al petrolio ed al carbone, nonché
alle notevoli riserve presenti nei paesi occidentali [Amoco Statistical Review of
World Energy].
Fig. 1.4 Riserve certe di gas naturale (migliaia di miliardi di metri cubi)
Per valutare la durata delle riserve si può utilizzare come indice il rapporto tra
riserve accertate, intese come la quantità di combustibile fornita da riserve
esplorate e riconosciute produttive, e la produzione: esso fornisce la durata in
anni di tali riserve nell’ipotesi che il livello di produzione rimanga inalterato.
Con tale indicatore emerge, all’anno 2000, che le riserve garantiscono un
consumo di 37 anni per il petrolio, 66 per il gas naturale e 200 per il carbone
5
energia e ambiente
[Noro, 2003]. Nonostante questi numeri, però, è probabile che non si sentirà la
mancanza di queste fonti per alcuni decenni: basti pensare che il rapporto tra
riserve e produzione attuale è superiore a quello del 1985 nonostante la
fortissima crescita dei consumi registratasi in questi anni e ciò grazie alle
tecnologie disponibili per l’individuazione di nuovi giacimenti e l’estrazione
dagli stessi. Questa osservazione non ci esula dal pianificare lo scenario
energetico del futuro…un futuro che, però, è sempre più vicino!
Bisogna aggiungere che i combustibili fossili, ed in particolare il petrolio, non
sono equamente distribuiti nei diversi paesi della Terra e ciò è causa di
concentrazioni di potere destabilizzanti per la pace e l’economia del nostro
pianeta. Al riguardo viene riportato un grafico rappresentativo delle riserve certe
di petrolio alla fine del 2002.
Fonte : Amoco Statistical Review of World Energy
Fig. 1.5 Riserve certe di petrolio in m miliardi di barili (1ton=7.33barili)
E’ utile osservare, per comprendere il complesso scenario politico-economico-
energetico, che le riserve di petrolio sono concentrate nei paesi del medio oriente,
allo stato attuale i più colpiti da conflitti di rilevanza internazionale.
6
energia e ambiente
Un discorso differente merita l’energia nucleare. Negli anni ’70, a seguito della
grave crisi petrolifera, si è cominciato a presentare, in maniera significativa, il
problema dell’esauribilità delle fonti energetiche convenzionali e si è avuto un
grande entusiasmo riguardo ai sistemi basati sull’energia nucleare. Quest’ultima
sembrava capace di risolvere tutti i problemi energetico-politico-ambientali.
Infatti da un lato, la equa distribuzione dell’uranio nei diversi paesi del mondo, e
soprattutto la presenza di riserve consistenti nei principali paesi industrializzati
dell’occidente, permetterebbe di ridurre significativamente le interdipendenze
economico-politiche nei confronti dei paesi produttori di petrolio e dall’altro, il
ricorso alla fonte nucleare consentirebbe di evitare la combustione degli
idrocarburi di origine fossile ovvero di non disperdere sostanze inquinanti
nell’ambiente. Se a ciò si aggiunge la grande quantità di energia che viene
liberata durante il processo di fissione nucleare (circa 68 milioni di KJ per
grammo di uranio) si comprende bene come non sia difficile lasciarsi andare a
scenari fin troppo rosei, riguardo all’utilizzo di questa fonte. Purtroppo però i
problemi connessi con l’utilizzo delle centrali nucleari (smaltimento scorie
radioattive e la demolizione centrali a fine ciclo) ed i problemi di sicurezza
(come confermato dal disastro di Chernobyl) hanno determinato uno scenario
piuttosto incerto sull’utilizzo di questa fonte energetica.
Nel 2001 l’energia nucleare ha contribuito per il 19% alla produzione di energia
elettrica mondiale; secondo le previsioni tale contributo si ridurrà al 12% nel
2025, anche se è previsto un incremento della potenza complessivamente
installata.
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