Impianto pilota per la produzione di idrogeno tramite cella elettrolitica alimentata da impianto fotovoltaico

Università degli studi di Firenze A.A. 2005-06 7 1. INTRODUZIONE La nostra è una civiltà basata sull’energia, chi è capace di possederla, può avere il predominio sugli altri. Fin dall’antichità, i popoli cercavano energia con notevoli sforzi dall’ambiente circostante (fiumi, sole, coltivazioni, fulmini). L’energia è sì una grandezza fisica come tante altre (temperatura, peso, massa…), definita come la forza che sposta un punto di applicazione e misurata in Joule (spostamento di 1 m con una forza di 1 N), ma va intesa nel senso più ampio, correlata al termine di “benessere”: è indice dello stato di una società, tanto che ormai quotidianamente la usiamo senza accorgercene, senza chiederci da dove viene, come si produce e dove finisce. Ai nostri fini è utile calcolare il flusso di energia, ossia quanta ne viene utilizzata o prodotta in un certo tempo, noto come potenza in Watt [W=J
s]. Spendere più energia richiede più potenza: l’energia che giunge alle nostre abitazioni viene pagata in unità energetiche, ma il massimo di energia che l’impianto generatore può erogare in un istante è una potenza. Spesso facciamo il contrario, definendola partendo dalla potenza: ad esempio, 1 kWh di energia elettrica si ottiene da una potenza costante di 1 kW in azione per 1 ora (non sarebbe fisicamente corretto utilizzare il kWh come unità di misura energetica, ma oramai è la prassi). Oggi l’energia è quasi totalmente ottenuta dal petrolio, ma non è sempre stato così. Fino a due secoli fa, l’energia era fornita principalmente da lavoro umano e animale, stimabile attorno a 60-100 W e legno da ardere per il riscaldamento. Il progresso ha portato a mulini ad acqua e vento, con potenze di 1-2 kW, andando gradualmente a sostituire il lavoro umano. Il vero salto di qualità nella gestione di energia in grandi quantità si ebbe nel 1769, quando James Watt inventò la macchina a vapore, motore termico alternativo a combustione esterna basato sull’espansione/ raffreddamento del vapore generato in una caldaia (trasformazione da energia termica in meccanica). Con la scoperta di un nuovo combustile, il carbon fossile, originato dalla decomposizione di piante di 300-400 milioni di anni fa, che andava a sostituire le riserve di legname, tali macchine a vapore potevano raggiungere anche 100 kW. Nascono i primi studi teorici su energia e calore, in un ramo della fisica noto come termodinamica, che hanno portato a due principi basilari seguenti: