BERGAMOSCIENZA Liceo Scientifico Statale Lorenzo Mascheroni

MACCHINA AD IDROGENO

DATI DEL COSTRUTTORE

Fuel cell Car Science Kit utilizza una fuel cell reversibile che è in grado di funzionare come elettrolizzatore scindendo la molecola dell'acqua in idrogeno e ossigeno attraverso l'elettrolisi. Lo stesso dispositivo trasforma l’energia chimica dell’idrogeno direttamente in energia elettrica grazie ad un processo chimico molto semplice quanto efficace, l’elettrolisi inversa.

Dopo aver montato la fuel cell sul telaio della macchina è possibile, alimentandola con acqua e fornendo energia elettrica con un pannello fotovoltaico, produrre piccole quantità di idrogeno osservabile dal serbatoio trasparente per l'accumulo del combustibile che si trova sull'auto. Successivamente, collegando la fuel cell al motorino, è possibile dare inizio alla reazione inversa, con produzione di energia elettrica quando l'idrogeno si ricombina con l'ossigeno .

L'energia elettrica prodotta permette all'auto di muoversi e di cambiare direzione automaticamente quando trova un ostacolo. Le luci LED posizionate nella zona anteriore del motore, grazie all'energia fornita, iniziano a lampeggiare.

La macchina continuerà a muoversi da sola finché l’idrogeno immagazzinato nel serbatoio interno sarà consumato completamente.

Le reazioni che avvengono all'interno della cella a combustibile reversibile sono delle ossidoriduzioni:

Modalità elettrolisi (elettrolizzatore):

- Reazione Anodica (ossidazione): H2O > ½ O2 + 2 H+ + 2 e-

- Reazione Catodica (riduzione): 2 H+ + 2 e- > H2

Modalità elettrolisi inversa (fuel cell):

- Reazione Anodica: H2> 2 H+ +e-

- Reazione Catodica: ½ O2 + 2 H+ + 2 e- > H2O

l’elettrolisi prodotta attraverso una pila esterna collegata alla cella permette di avere l’iniziale “carburante”, l’elettrolisi inversa, invece, produce la corrente necessaria al funzionamento del modellino. Come si vede dalle reazioni riportate, lo scarto è solo acqua, che si ricicla.

Il modellino intende simulare il reale funzionamento delle auto a idrogeno di ultima generazione, sebbene molto controverse.

CELLE A COMBUSTIBILE

Le celle a combustibile sono dei sistemi elettrochimici capaci di convertire l'energia chimica di un combustibile (in genere idrogeno) direttamente in energia elettrica, senza l'intervento intermedio di un ciclo termico e di organi meccanici in movimento, e pertanto presentano rendimenti di conversione più elevati rispetto a quelli delle macchine termiche convenzionali.

MOTORE A IDROGENO

Il motore a idrogeno è stato la più attuale rivoluzione nel campo dei trasporti perché molto meno inquinante del motore a benzina. Molte case automobilistiche hanno sviluppato ricerche su questo nuovo motore a energia “pulita” senza purtroppo trovare un prototipo che possa essere prodotto e commercializzato a bassi costi.

L'idrogeno si può ritenere un ottimo combustibile per produrre energia, mediante combustione o “ricongiungimento” chimico con l'ossigeno.

Nel primo caso l'idrogeno viene bruciato da solo oppure aggiunto ad altri combustibili; il ricongiungimento chimico tra idrogeno e ossigeno è, invece, alla base della tecnologia delle celle a combustibile (fuel cell), la più utilizzata nella creazione di motori a idrogeno e la migliore dal punto di vista ecologico ed economico. Un altro tipo di motore a idrogeno è il motore a combustione interna a idrogeno liquido, più inquinante e utilizzato per la propulsione delle navette spaziali, in cui l'energia è prodotta dalla combustione chimica dell'idrogeno. In questo caso tuttavia il processo di liquefazione dell'idrogeno, che avviene a temperature bassissime, provoca un'eccessiva emissione di gas serra.

FUNZIONAMENTO DELLE CELLE A COMBUSTIBILE

La cella a combustibile è un generatore elettrochimico in cui vengono mischiati un combustibile, nel nostro caso l'idrogeno, e un ossidante, l'ossigeno in questo caso, e da cui si ricavano corrente elettrica continua, acqua e calore.

Una cella a combustibile funziona in modo analogo a una batteria, in quanto produce energia elettrica attraverso un processo elettrochimico, a differenza di quest'ultima tuttavia consuma sostanze provenienti dall'esterno ed è quindi in grado di funzionare senza interruzioni, finché al sistema viene fornito combustibile (idrogeno) e ossidante (ossigeno o aria), mentre la batteria deve essere ricaricata. Poiché una singola cella fornisce ai morsetti una tensione di circa 0,6 V, è necessario collegare più celle in serie, fino ad ottenere la tensione desiderata.

VANTAGGI

COMBUSTIONE

Bruciare idrogeno con aria in condizioni appropriate all'interno di motori a combustione o turbine a gas determina una notevole riduzione delle emissioni.

CELLE A COMBUSTIBILE

Elevata efficienza: la conversione diretta di combustibile in energia attraverso una reazione elettrochimica, consente alla cella a combustibile di ottenere, a parità di combustibile, una potenza superiore rispetto alla tradizionale combustione. La produzione di energia attraverso una combustione avviene in stadi successivi: prima il combustibile viene convertito in calore e questo in energia meccanica che viene utilizzata da una macchina motrice come una turbina per produrre energia. In questo processo vanno considerate le perdite esterne di calore e di attrito, che abbassano l'efficienza globale del processo. Il rendimento elettrico è superiore a quello degli impianti convenzionali, con valori che vanno dal 40-48% (riferito al potere calorifico inferiore del combustibile) per gli impianti con celle a bassa temperatura, fino a raggiungere oltre il 60% per quelli con celle ad alta temperatura.

Emissioni ridotte: Se l'idrogeno è il combustibile usato nella cella a combustibile, gli unici coprodotti sono calore, acqua ed energia elettrica, mentre la combustione di combustibili fossili produce anidride carbonica, NO_x , SO_x e particolati.

Il ridottissimo impatto ambientale, sia dal punto di vista delle emissioni gassose sia di quelle acustiche, consente di collocare gli impianti anche in aree residenziali e richiede pochi permessi governativi.

Se l’idrogeno utilizzato nella cella a combustibile è prodotto da fonti rinnovabili, viene eliminato il danno ambientale associato all’estrazione dei combustibili fossili dai giacimenti.

Flessibilità relativa alla tipologia di combustile: una cella a combustibile può lavorare con idrogeno proveniente da qualunque combustibile fossile oggi disponibile. Ha inoltre la possibilità di utilizzare un'ampia gamma di combustibili quali gas naturale, metano, metanolo.

Una cella a combustibile lavora in un range di temperatura che va da 80°C fino a 1000°C. Tali valori sono nettamente inferiori ai 2300°C che si raggiungono all'interno dei motori a combustione.

Il calore esotermico della reazione elettrochimica può essere riutilizzato per riscaldare l'acqua o per soddisfare il fabbisogno di riscaldamento o di raffreddamento. Questo riutilizzo di calore aumenta l'efficienza di una cella a combustibile fino al 90%.

Il funzionamento di una cella a combustibile non prevede alcun organo di movimento. Ciò determina un progetto più semplice, una maggiore affidabilità e silenziosità.

SVANTAGGI

Gli svantaggi derivanti da queste tecnologie sono sostanzialmente la difficoltà di reperire il carburante, i fondi necessari per costruire impianti, nonchè la difficoltà nel trovare i componenti degli stessi.

Da non trascurare è anche il fatto che la produzione di idrogeno tramite fonti energetiche tradizionali ha come scarto sostanze inquinanti.

SFRUTTAMENTO SIMULTANEO DI PIU' FONTI DI ENERGIA

Le 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 cella a combustibile. 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. 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.

COSTI

Il mercato delle celle a combustibile non è ancora una realtà consolidata. Le celle a combustibile di piccola dimensione. utilizzabili come accumulatori di elettricità per le emergenze a livello domestico variano tra i 700 e i 400 euro a seconda delle caratteristiche e delle prestazioni.

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