idrogeno-energia del futuro - Provincia di Lucca

Idrogeno Idrogeno-Energia Idrogeno Energia del del futuro
futuro
dal dal motore motore di Barsanti e Matteucci
alle alle nuove nuove tecnologie ecnologie
percorsi e esperienze attraverso la rivisitazione
di mestieri e professioni
che sfidano le nuove tecnologie
XXVIII XXVIII Concorso oncorso Artigianato e Scuola cuola cuola
2008
2008
Progetto realizzato dalle classi
Terza Operatori Termici,
Operatori Meccanici,
Quarta Tecnici Elettronici
dell'IPSIA G.Giorgi di Lucca
coordinato dai proff.
Mariano Alberigi, Edualdo Gini, Roberto Cerri

Ipsia G.Giorgi – Lucca -2008 idrogeno: energia del futuro
Introduzione
Il tema della trasformazione e dell’innovazione subita dai mestieri artigiani non
poteva non coinvolgere una scuola come la nostra che molto ha dato e dà al sistema
produttivo locale e nella quale si sta formando una parte importante del futuro ceto
artigiano.
Quello che si presenta è un lavoro complessivo che assembla più manufatti
prodotti da gruppi classe diversi che si sono esercitati sul tema “l’Idrogeno come
energia del futuro” e hanno svolto in corso d’anno un percorso di analisi delle tematiche
connesse alla produzione e all’utilizzo di tale elemento, dal ben noto esperimento del
motore di Barsanti e Matteucci sino alle moderne celle a combustibile.
Il risultato finale è un tavolo sperimentale che espone i diversi lavori e permette di
osservare: a) la produzione di idrogeno dall’acqua per via elettrolitica attraverso
l’utilizzazione dell’energia rinnovabile fornita da un pannello fotovoltaico, b) la
produzione di energia elettrica attraverso l’alimentazione con idrogeno e ossigeno di
una cella a combustibile e c) la trasformazione di tale energia elettrica in energia
meccanica attraverso un piccolo motore elettrico fornito di elica rotante. La produzione
di gas e di energia elettrica è poi apprezzabile, momento per momento, su di un PC cui
sono interfacciati appositi strumenti di misura.
Nella costruzione di tali esperienze sono stati coinvolti tanto gli operatori meccanici
(classe 3° OMA) che hanno progettato, disegnato e realizzato le diverse strutture
effettuando la lavorazione alle macchine utensili di materiali come l’acciaio inossidabile
e il plexiglass, gli operatori termici (classe 3° O TA) che hanno studiato e realizzato le
saldature e l’impianto idraulico e gli operatori elettrici (classe 4° TNA) che hanno
studiato, realizzato e documentato le parti connesse con la produzione e la
trasformazione di energia elettrica.
Prof. Lorenzo Isoppo
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IL PROGETTO
Costruzione di un tavolo sperimentale
ad uso didattico per l'estrazione dell' Idrogeno dall'acqua,
per via elettrolitica, con energia fotovoltaica
foto
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Nota degli autori:
questo documento costituisce la trasposizione cartacea della presentazione
multimediale su CD ROM. La presentazione multimediale consente di accedere a
immagini, filmati e animazioni che arricchiscono la ricerca, rendendola più fruibile.
Ricerca Storica
Indice
Padre Eugenio Barsanti pag. 5
Felice Matteucci pag. 6
L’idrogeno e il motore a combustione di Barsanti e Matteucci pag. 7
Nuove tecnologie
Evoluzione Tecnologica pag. 10
Estrazione dell’idrogeno pag. 15
Energia solare pag. 20
Mestieri e professioni e nuove tecnologie pag. 24
Ricerche e prototipi pag. 29
Il nostro progetto pag. 34
Incontri e conferenze pag. 42
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Padre Eugenio Barsanti
Nacque a Pietrasanta (Lucca) il 12 Ottobre 1821. Compiuti i sei anni Niccolò varcò la soglia
dell’istituto delle Scuole Pie con sede nel convento di S. Agostino a Pietrasanta dove sia la
direzione che l’insegnamento erano tenuti dai padri Scolopi.
Niccolò Barsanti frequentò l’Istituto fino a 17 anni concludendo gli studi superiori con ottimi
risultati in tutte le discipline, ma rivelando una particolarissima tendenza per le scienze esatte
ed in particolare per la matematica e la fisica.
Terminati gli studi superiori, il giovane Barsanti manifestò la volontà di
diventare uno Scolopio. Nel Settembre del 1841 Padre Inghirami
convocò Padre Eugenio Barsanti, non ancora sacerdote, nel suo
studio e lo informò che avrebbe dovuto trasferirsi nel collegio S.
Michele di Volterra per insegnare fisica e matematiche elementari.
Era la primavera del 1843, il “maestrino”, come gli alunni lo
chiamavano per la sua giovane età e per l’esile statura, entrò in classe
con in mano un barattolo con un lungo collo, strumento che si era
personalmente costruito per l’esperienza che doveva fare. Quello
strumento riproduceva la pistola di Volta. Il maestrino spiegò agli allievi
cosa intendeva fare, riempì il recipiente con idrogeno e aria, chiuse ermeticamente il collo con
un tappo di sughero quindi agli estremi della sbarretta di ottone isolata e terminante con due
sferette fece scoccare una scintilla elettrica e immediatamente uno scoppio fragoroso
scaraventò il tappo contro la soffitta e fece rintronare l’aula. Agli alunni spaventati spiegò cosa
era avvenuto: la scintilla elettrica aveva incendiato il miscuglio di gas il quale aumentando di
volume aveva prodotto lo scoppio lanciando in aria il tappo. Lo strumento realizzato da Barsanti
è tuttora conservato a Volterra.
Questo esperimento fece balenare nella mente di Barsanti l’idea di utilizzare l’esplosione di un
miscuglio gassoso come generatore di una forza da utilizzare in una macchina a moto continuo
che risultasse più pratica della macchina a vapore. In un documento conservato nell’archivio
Ximeniano troviamo scritto: “Il Padre Eugenio Barsanti aveva ripetutamente osservato che
l’apparecchio subiva, al momento dell’esplosione, un riscaldamento tanto maggiore quanto più
fortemente era calcato il turacciolo e che questo riscaldamento giungeva al maximum allorché il
turacciolo stesso veniva così fortemente calcato che l’esplosione
della mescolanza detonante non valeva a cacciarlo via. Da questa
osservazione deduceva che la forza esplosiva dei miscugli
composti di idrogeno e di aria non era così violenta come
l’avrebbe fatto supporre il rumore che si ode quando il turacciolo
viene slanciato, e che si poteva regolarne gli effetti dinamici
obbligandolo a trasformarsi in parte o anche totalmente in
calorico”. E’ evidente come nella mente di Barsanti fosse chiaro
ed operante il concetto di equivalenza fra energia termica ed
energia meccanica. Si tramanda che gli esperimenti al Collegio di
Volterra continuarono fino a quando Padre Eugenio Barsanti vi
rimase, tanto che per i frequenti scoppiettii, specie durante la
notte, era corsa la voce che al collegio si creassero armi segrete.
La vita di Barsanti si concluse il 19 aprile 1864 a Seraing in Belgio proprio nel momento in cui
stava per raccogliere la gloria con l’inizio della costruzione in serie del suo motore.
Il Barsanti era giunto in Belgio nel marzo di quell’anno ma proprio a Seraing aveva contratto
una grave forma di febbre tifoide. Le sue spoglie giunte a Livorno il 24 maggio furono dapprima
tumulate nella villetta della “Rosa” a Compiobbi, quindi nel 1910 furono trasportate nella cripta
della Chiesa di S. Giovannino degli Scolopi a Firenze. Il 24 ottobre 1954 i resti mortali di p.
Barsanti furono trasportati nella Basilica di S. Croce.
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Felice Matteucci
Nacque a Lucca 1l 12 Febbraio 1808 dall’avvocato Luigi Matteucci,
ministro di giustizia del Principe Felice Baciocchi, e dalla nobildonna
Angiola Tomei-Albiani di Pietrasanta. Felice mostrò fin dall’infanzia
grande impegno distinguendosi negli studi, tanto che a undici anni
componeva poesie molto apprezzate. Sappiamo che nell’anno
scolastico 1823 – 24 compariva tra gli iscritti del Real Liceo di Lucca
(l’antica Università lucchese). La sua inclinazione scientifica si rivelò
in particolare durante il corso di studi presso il Real Collegio
Borbonico di Parigi dove il padre, che vi risiedeva come
Rappresentante del Granduca presso il re di Francia, lo aveva iscritto
nel 1824. A Parigi iniziò i suoi studi in idraulica e meccanica per i
quali mostrava particolari attitudini.
Nel Dicembre del 1825 Felice Matteucci dovette rientrare in Italia con
il padre a causa di una grave malattia del fratello Francesco e così
completò a Firenze il corso ufficiale dei suoi studi in idraulica e in
meccanica.
Terminati gli studi, Felice continuò le sue ricerche scientifiche e insieme badava alla cura dei
fondi agricoli: i Matteucci possedevano fondi rustici con due “ case di Campagna”, cioè ville, a
Vorno e a Colle di Compito. Fu senza dubbio durante il soggiorno nella sua villa di Colle di
Compito, che, osservando giorno dopo giorno il movimento delle acque del lago di Sesto stilò a
soli 27 anni il disegno per il prosciugamento della palude di Bientina.
A questo progetto, che è senza alcun dubbio il suo più diligente e dotto studio di idraulica,
Matteucci rimase fortemente attaccato per tutta la vita. Matteucci presentò il progetto al
Governo Granducale a cui stava a cuore l’opera di bonifica della palude di Bientina, ma la
Commissione, di cui faceva parte Padre Eugenio Barsanti, preferì il progetto del Commendatore
Alessandro Manetti, direttore dei lavori d’acque e strade.
Matteucci, che nel frattempo aveva stretto amicizia con Padre Eugenio Barsanti, abbandonò
l’idraulica e si dedicò alla meccanica, entrando in associazione con lui.
Da questo momento la vita di Matteucci è legata a quella del motore a scoppio che, insieme a
Barsanti, progetta, sviluppa, collauda. Insieme all’amico ne condivide le vicissitudini, le
speranze, le gioie, le delusioni.
L’associazione ben presto si trasformò in Società, dalla quale, alcuni anni più tardi, nel 1862,
Matteucci rassegna le dimissioni, essendosi ammalato di un grave esaurimento nervoso.
Due anni più tardi, nel 1864, muore l’amico e, tranne alcuni episodi, che abbiamo riportato nel
testo, si conclude anche l’avventura di Matteucci sul motore a scoppio.
La sua vita terrena si conclude invece alcuni anni dopo, il 13 settembre 1887, dopo una ricaduta
nell’esaurimento nervoso che nuovamente lo aveva colpito.
Personaggio infelicissimo, di grande talento e di debole carattere, Matteucci è sepolto a Campi
Bisenzio. Una lapide, posta nel 1932 sulla facciata di palazzo Matteucci a Lucca ricorda invece
il suo luogo di nascita.
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Il Motore di Barsanti e Matteucci
Le prime idee di una macchina che utilizzando l’esplosione di una miscela gassosa provocata da
una scintilla elettrica potesse produrre una propulsione continua in modo più pratico della
macchina a vapore, vennero nel 1843 al giovanissimo Padre Eugenio Barsanti, mentre
effettuava con i suoi allievi esperienze sulla pistola di Volta.
Appena ventenne, Padre Barsanti, nato a Pietrasanta il 12
ottobre 1821, già insegnava matematica, fisica e filosofia al
Collegio di San Michele a Volterra. Furono anni di importanti
esperimenti e di fondamentali osservazioni scientifiche che
nel 1851, trasferitosi a Firenze, grazie alla collaborazione
con l’ingegnere e fisico lucchese Felice Matteucci, cominciò
a mettere in pratica.
La pistola di Volta utilizzata nei primi esperimenti di padre Barsanti
Nel 1853 i risultati delle sperimentazioni eseguite con un apparato
cilindrico all’interno del quale scorrevano due stantuffi contrapposti furono accuratamente
descritti dai due inventori e presentate in un plico chiuso all’Accademia dei Georgofili di Firenze.
Fu dunque realizzato un prototipo di motore completo e funzionante, gravio - atmosferico ad
azione differita. Il combustibile impiegato era l’idrogeno, di cui oggi si torna a parlare come
risorsa per il futuro. Tale motore funzionò soltanto in via sperimentale.
Il secondo motore fu costruito nel 1856: fu messo in funzione presso le officine della Ferrovia
Maria Antonia a Firenze, trasmetteva un movimento sufficientemente regolare ad una forbice e
ad un trapano. Si tratta del primo esempio di applicazione di un motore a scoppio per
l’azionamento di macchine utensili. Questo motore, a due cilindri interdipendenti, era stato
costruito conformemente alla descrizione del primo brevetto inglese del 13 maggio 1854.
Brevetto inglese n°1072 del 1854 riguardante il moto re Barsanti e Matteucci
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Nel 1858 fu costruito dalla fonderia Calegari di Livorno un motore della potenza di 20 cavalli. La
macchina era ad un solo cilindro dotato però di due stantuffi principali contrapposti. Fu costruito
per essere impiegato nella motonavigazione, ma a causa dell’insoddisfazione dei due inventori
non fu mai usato.
Motore Barsanti e Matteucci a stantuffi contrapposti del 1858
Sempre nel 1858 fu costruito un nuovo motore, dalla ditta Pietro Benini, bicilindrico, a stantuffi
concorrenti. Tale realizzazione piacque molto e Barsanti e Matteucci che decisero di costituire
una società per lo sfruttamento su larga scala dell’invenzione: si chiamò Società Anonima del
Nuovo Motore Barsanti e Matteucci.
Nel 1861 fu costruito un terzo motore a stantuffi
contrapposti della potenza di 12 cavalli, la cui realizzazione
fu affidata all’officina Wyss & Co. di Zurigo.
Esposto alla prima Esposizione Italiana tenutasi a Firenze
in quello stesso anno, ottenne un grande successo.
Questo motore annovera Barsanti e Matteucci come i primi
realizzatori di motori a stantuffi contrapposti ad azione
diretta: la soluzione sarà poi ripresa e migliorata da altri.
L’ultimo motore ad un solo cilindro verticale, ad azione differita e della potenza di 4 cavalli, risale
invece al 1863: fu costruito dalle officine Bauer & Co. di Milano.
Realizzava la descrizione del brevetto francese del 9 gennaio 1858. Il
successo ottenuto da questo motore e le numerose richieste giunte da
industriali italiani e stranieri indussero gli inventori, in accordo con la
Società, ad iniziarne una diffusione su vasta scala.
Motore Barsanti e Matteucci del 1863
Proprio quando alle Officine Cockerill, a Seraing, in Belgio, Padre
Barsanti stava avviando la produzione in serie, colpito da un attacco di
tifo il 19 aprile 1864 morì.
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Ebbe così termine il suo progetto, non l’evoluzione del suo motore che nei successivi trent’anni
conobbe modifiche, talvolta regressi, varianti, ritocchi, fino ad un’applicazione diffusa e di massa
con i mezzi più disparati.
Ampio fu l’utilizzo del motore per il funzionamento dei macchinari nelle officine e nei laboratori o
per la locomozione dei natanti. Agli inizi del 1900 nacquero le prime industrie automobilistiche:
nel 1899 venne fondata la FIAT, nel 1900 la Mercedes-Benz, nel 1906 la Lancia e l’Alfa. Negli
Stati Uniti dal 1908 venne prodotto da Henry Ford il famoso modello T applicando per la prima
volta la catena di montaggio. Nello stesso periodo il motore a scoppio consentì all’aviatore
tedesco Ferdinand von Zeppelin la realizzazione del primo grande dirigibile a struttura rigida. Dai
suoi importanti studi di aerostatica il passo dal dirigibile all’aeroplano fu breve.
Probabilmente una non adeguata protezione dei brevetti fece sì che la paternità del motore a
scoppio sia stata spesso assegnata ad altri inventori. Studi approfonditi hanno definitivamente
dimostrato la priorità di Barsanti e Matteucci nei confronti di Lenoir, Otto e Langen. Il motore del
meccanico francese Lenoir fu brevettato il 24 gennaio 1860, il motore dei tedeschi Otto e
Langen, fece la sua trionfale apparizione all’Esposizione Universale di Parigi del 1867,
ottenendo la medaglia d’oro.
Si trattava di una copia piuttosto fedele del motore dei due italiani, ne sfruttava i principi base del
funzionamento e ne riproduceva gli accorgimenti tecnici. Con gli apporti di Daimler nel 1883 e di
Diesel nel 1892, il motore era ormai lanciato alla conquista della società moderna.
Motore Barsanti e Matteucci a doppio cilindro del 1856
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Evoluzione tecnologica : idrogeno- lavori in corso
Uso dell' idrogeno come combustibile
problemi di immagazzinamento e gestione
Attualmente le tecnologie di immagazzinamento e trasporto sono molto
più sviluppate rispetto a quelle di produzione. Alcune di esse, come gli
idruri chimici e le microsfere di cristallo, sono già sfruttate
commercialmente, altre presentano notevoli vantaggi riguardo la
sicurezza e la salvaguardia dell’ambiente. Gli svantaggi, però, sono
legati alle diverse tecnologie di produzione e alle applicazioni pratiche
dell’idrogeno. Infatti, nonostante l’enorme versatilità delle caratteristiche
fisiche e chimiche dell’idrogeno, è spesso molto difficile abbinare agli
impianti di produzione delle idonee tecniche di immagazzinamento, così come non sempre i
metodi di trasporto soddisfano le necessità degli utilizzatori finali. Nei successivi paragrafi sarà
effettuata l'analisi delle diverse tecnologie d'immagazzinamento e trasporto dell'idrogeno alla
luce dei problemi connessi.
Le tecnologie di immagazzinamento sono:
• Idrogeno compresso.
• Idrogeno liquefatto.
• Idruri di metallo.
• Idruri chimici.
• Sistemi basati sul carbonio.
• Microsfere di cristallo.
• Altri metodi.
Idrogeno come gas compresso
L’immagazzinamento dell’idrogeno sotto forma di gas compresso o
liquefatto e, quando necessario per stabilizzare il livello di pressione,
tramite idruri di metallo richiede l’utilizzo di compressori.
L'idrogeno può essere immagazzinato, come gas compresso,
all'aperto, sotto terra e a bordo di veicoli. Questa tecnologia
d’immagazzinamento è la più semplice in quanto le uniche
attrezzature necessarie sono un compressore ed un contenitore
pressurizzato.
L'idrogeno viene compresso a circa 20,7 MPa ed immagazzinato in cilindri per il gas, a
pressione standard, o in contenitori sferici per quantità superiori a 15.000 Nm 3 . In generale,
l'immagazzinamento sotto forma di gas compresso, in tubi ad alta pressione, è generalmente
limitato a sistemi inferiori ai 14.000 Nm 3 o ancora minori, a causa del loro costo elevato.
I costi stimati di questa tecnologia, nel caso di immagazzinamento all'aperto, sono molto elevati
per l'immagazzinamento giornaliero con l'utilizzo di tubi pressurizzati rispetto al caso dell'utilizzo
di contenitori; essi inoltre dipendono fortemente dal tasso di rotazione delle scorte .
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Idrogeno liquefatto
I processi di liquefazione usano una combinazione di compressori, scambiatori di calore, motori
di espansione e valvole a farfalla per ottenere il raffreddamento desiderato. Il processo di
liquefazione più semplice è il ciclo Linde o ciclo di espansione Joule–Thompson. Tramite questo
processo, il gas è compresso a pressione ambiente e quindi raffreddato in uno scambiatore di
calore prima di passare attraverso una valvola in cui è sottoposto al processo di espansione
Joule–Thompson producendo del liquido. Una volta rimosso il liquido il gas ritorna al
compressore tramite lo scambiatore di calore.
Il processo Linde opera con gas, come l’azoto, che si raffreddano per espansione a temperatura
ambiente. L’idrogeno al contrario, in questa fase si riscalda e per evitare ciò la sua temperatura
deve essere inferiore alla sua temperatura d’inversione di 202 K. Per raggiungere tale
temperatura alcuni processi raffreddano l’idrogeno con dell’azoto liquido pre-raffreddato che
prima del passaggio nella valvola d’espansione, consente la riduzione della temperatura
dell’idrogeno a 78 K. L’azoto viene quindi recuperato e riciclato nel ciclo continuo di
refrigerazione.
L'idrogeno può essere liquefatto per la produzione stazionaria di energia sia per il rifornimento
di veicoli. Successivamente, nella maggior parte dei casi, viene immagazzinato ad una
temperatura di -253 °C. L'unico inconveniente di qu esto sistema è l'eventuale fuoriuscita di
parte dell'idrogeno liquido ed il notevole dispendio energetico dell’intero processo. Infatti circa il
30% dell’energia dell’idrogeno è necessaria per il suo raffreddamento Inoltre sono necessarie
particolari attrezzature per il mantenimento dello stato liquido
Una delle preoccupazioni maggiori legate a questo processo quindi, è quella della riduzione
delle fuoriuscite di liquido. Dato che l’idrogeno è immagazzinato ad una temperatura che
corrisponde al suo punto di ebollizione, qualsiasi passaggio di calore attraverso il liquido causa
l’evaporazione di una parte dell’idrogeno e qualsiasi evaporazione si riflette in una perdita
dell’efficienza del sistema.
La maggior parte dei contenitori di idrogeno liquido hanno forma sferica perché quest’ultima ha
la più bassa superficie per il trasferimento di calore per unità di volume. Inoltre, al crescere del
diametro dei contenitori il volume aumenta più velocemente della superficie esterna per cui
contenitori più grandi, in proporzione, provocano minori perdite per trasferimento di calore. I
contenitori cilindrici, invece, sono preferibili per la loro facilità ed economicità di costruzione.
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Idruri di metallo
Semplificazione della reazione d’idrogenazione del metallo
idruri metallici
Gli idruri di metallo sono dei composti che
trattengono idrogeno nello spazio interatomico di un
metallo (fig. 3.1). La loro origine risale all’anno 1866
quando Graham notò l’assorbimento di consistenti
quantità di idrogeno da parte del palladio ma fino
agli anni 1960 furono poche le applicazioni degli
idruri di metallo.
Il motivo di questo disinteresse era dovuto al fatto che gli idruri
conosciuti erano di tipo "binario" cioè composti solo da un metallo e
dall’idrogeno e anche quando furono sperimentati i primi idruri di tipo
"ternario" fu inizialmente quasi impossibile controllare le loro proprietà
meccaniche e termodinamiche. Questi problemi rimasero irrisolti fino a
quando, in seguito ai lavori pionieristici di S.R. Ovshinsky, si crearono i
primi idruri a base di leghe di metalli le cui diverse proprietà furono
adeguatamente impiegate e le applicazioni pratiche degli idruri rese
così possibili.
Gli idruri si formano ed agiscono attraverso due fasi: l’assorbimento ed il rilascio dell’idrogeno.
L'assorbimento dell'idrogeno nello spazio interatomico (idrogenazione) è un processo
esotermico che richiede raffreddamento mentre la sottrazione di idrogeno (deidrogenazione) è
un processo endotermico che richiede calore.
Quando la pressione dell’idrogeno viene inizialmente aumentata l’idrogeno si dissolve nel
metallo e quindi comincia a legarsi con esso. In questa fase la pressione operativa rimane
costante fino al raggiungimento del 90% della capacità di immagazzinaggio. Al di sopra di
questo limite è necessario operare con pressioni elevate per raggiungere il 100% della capacità.
La dispersione di calore durante la formazione dell’idruro devono essere continuamente
rimosse per evitare che l’idruro si infiammi. Se l’idrogeno viene estratto da un altro gas, una
parte di esso può essere liberata in modo che porti via gli elementi estranei che non si legano al
metallo. Con la deidrogenazione invece, si spezza il legame formatosi tra il metallo e l’idrogeno
e la pressione operativa aumenta all’aumentare della temperatura. Inizialmente si opera a
pressione elevata e viene rilasciato idrogeno puro quindi in seguito alla rottura del legame con il
metallo la pressione si stabilizza fino a ridursi drasticamente quando nell’idruro residua circa il
10% dell’idrogeno. Quest’ultima parte di gas è molto difficile da rimuovere essendo quella più
saldamente legata al metallo e quindi spesso non può essere recuperata nel normale ciclo di
carico e scarico (Amos, 1998).
Il contenitore dell’idruro deve essere pressurizzato e contenere una area sufficientemente
grande per lo scambio del calore al fine di garantire la rapidità delle fasi di carico e scarico
dell’idruro per le quali è richiesta, inoltre, stabilità termica e strutturale della lega impiegata.
Gli svantaggi sono, però, la pesantezza dei sistemi, la bassa densità gravimetrica dell'idrogeno
(1%-7%) ed i costi generalmente elevati che non consentono ancora la realizzazione di sistemi
di immagazzinaggio ad idruri di metallo funzionanti commercialmente su larga scala.
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PILE A COMBUSTIBILE (Fuel Cell)
La pila a combustibile e' un generatore elettrochimico in cui, in linea di principio, entrano un
combustibile (tipicamente idrogeno) e un ossidante (ossigeno o aria) e da cui si ricavano
corrente elettrica continua, acqua e calore .
Il combustibile (idrogeno) e i gas ossidanti (ossigeno dato semplicemente dall'aria) lambiscono
rispettivamente l'anodo e il catodo (sulle facce opposte a quelle in contatto con l'elettrolito).
Data la porosità degli elettrodi, vengono in questo modo continuamente alimentate le reazioni di
ossidazione del combustibile e di riduzione dei gas ossidanti.
Come combustibile possono essere usati oltre all' idrogeno anche il metano e il metanolo ; da
questi naturalmente l'idrogeno deve essere estratto con un particolare procedimento. Le pile a
combustione possono essere pensate come uno strumento che fa l'inverso dei più conosciuti
esperimenti dove passando una corrente elettrica attraverso l'acqua si divide in idrogeno e
ossigeno.
Un aspetto di importanza fondamentale per le applicazioni delle pile a combustibile, e'
rappresentato dal fatto che gli effluenti (acqua e gas esausti), che vanno continuamente rimossi
dalla cella, non contengono sostanze inquinanti.
La cella ha struttura piatta a tre strati, di cui quello centrale, compreso fra il catodo e l'anodo,
costituisce o contiene l'elettrolito. Alcuni tipi di celle funzionano in orizzontale altre in verticale.
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Sono simili alle batterie e quindi, come gli altri elementi voltaici, una pila a combustibile e'
formata essenzialmente da due elettrodi , catodo ed anodo, e da un elettrolito che permette la
migrazione degli ioni. Diversamente che dalle batterie comuni, nella pila a combustibile, la
materia attiva viene continuamente rinnovata e quindi la corrente elettrica continua può essere
erogata indefinitamente se si mantiene l'alimentazione di combustibile e di gas ossidanti.
In pratica, le superfici affacciate devono avere un'area sufficiente per ottenere intensità di
corrente adeguate alle esigenze applicative. Si può così arrivare, in funzione dell'applicazione e
della filiera di celle, a superfici dell'ordine del metro quadrato. Le singole celle (caratterizzate da
tensioni comprese da mezzo volt a un volt , secondo la tecnologia adottata e il carico elettrico
ad essa collegato) vengono sovrapposte una all'altra, collegandole in serie in modo da ricavare
una tensione complessiva del valore desiderato. L'impilamento di celle che così si ottiene,
forma il cosiddetto stack (o "pila"), che rappresenta la base della sezione elettrochimica.
Generalmente un impianto a celle a combustibile e' composto, oltre che dal modulo di potenza
(contenente la sezione elettrochimica) anche da un convertitore di corrente (inverter) e di un
trasformatore che convertono la corrente continua generata dalla pila in corrente alternata alla
tensione e alla frequenza desiderate.
Attualmente esistono sei diversi tipi di pile a combustibile, concettualmente diverse ma simili:
• Pile a combustibile con membrana di scambio protonico: PEM ( Proton Membrane Exchange).
• Pile a combustibile alcaline : AFC (Alkali Fuel Cell)
• Pile ad acido fosforico: PAFC (Phosphoric Acid Fuel Cell)
• Pile ad ossidi solidi: SOFC (Solid Oxide Fuel Cell)
• Pile a carbonati fusi: MCFC (Molten Carbonate Fuel Cell)
• Pile a metanolo diretto: DMFC ( Direct Methanol Fuel Cell)
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Estrazione dell’ idrogeno
Cos’è l’idrogeno?
L’elemento chimico più leggero esistente in natura (contiene un protone e un
elettrone). Simbolo: H. A temperature normali è un gas, leggero, incolore,
inodore, non tossico (ma altamente combustibile). Nel gas, l’idrogeno si trova
come H2 (due atomi legati fra loro).Il gas H2 pesa 8 volte meno del metano e
16 volte meno dell’ossigeno. L’idrogeno (come gli altri combustibili) contiene molta energia
chimica nel suo legame. Si può estrarre questa energia facendo reagire il combustibile con
l’ossigeno.
Un chilogrammo di H2 che brucia così produce fino a 142 milioni di Joule: l’energia necessaria
per far bollire circa 475 kg di acqua, oppure per muovere un’automobile per circa 100 km.
La stessa reazione per il metano:
Un chilogrammo di CH4 che brucia così produce fino a 56 milioni di Joule. Ecco l’energia
(espressa in MJ) liberata dalla combustione di 1 kg di diversi carburanti: l’idrogeno è di gran
lunga il più energetico a parità di peso.
legno
carbone
petrolio
kerosene
etanolo
metanolo
metano
gas
naturale
benzina
idrogeno
Il problema è che l’idrogeno è così leggero (cioè ha una densità così bassa) che occupa molto
spazio: 1 kg di H2 occupa 56 litri, mentre 1 kg di benzina occupa circa 1 litro. Un problema è
che l’idrogeno gassoso (H2) non si trova sulla terra: è troppo leggero e sfugge alla nostra forza
di gravità. Prima di usarlo, bisogna quindi produrlo, e si pone il problema della sorgente
energetica. L’idrogeno non è una fonte energetica, è solo un trasportatore di energia: l’energia
(proveniente da qualche altra fonte) viene spesa per produrre H2 in qualche posto, poi l’H2
viene trasportato dove serve e “bruciato” nelle pile a combustibile per riottenere l’energia che
avevamo immagazzinato”. Quindi è un combustibile pulito solo se il processo in cui è prodotto
è a sua volta pulito: altrimenti l’inquinamento viene solo trasferito dal luogo di utilizzo al luogo di
produzione.
15

Ipsia G.Giorgi – Lucca -2008 idrogeno: energia del futuro
Ci sono due procedimenti principali per produrre idrogeno gassoso.
Elettrolisi dell’acqua.
Elettrolisi
:
H2O
H2 O2
H 2O
Energia elettrica
(corrente continua)
Reforming del metano (o del
carbone, o di altri idrocarburi).
Il passaggio di corrente elettrica attraverso
l’acqua produce idrogeno gassoso e
ossigeno (è il processo inverso a quello
che avviene nelle pile a combustibile).
H2
(energia chimica)
½ O2
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1 litro
H2O
Rendimento
Rendimento
elettrolisi
elettrolisi
Consumi Consumi e
e
prodotti
prodotti
finali
finali
Processo ideale
rendimento η = 100%
Processo reale
rendimento η = 70%
6.299 kWhel
Energia
elettrica
Consumo Consumo di
di
elettricità
elettricità
[kWh [kWh el ]
1.358 m³ H2
(Idrogeno)
0.679 m³ O2
(Ossigeno)
PRODOTTI PRODOTTI FINALI
FINALI
H 2
O 2
12.136 12.136 [m [m
3 ]
39,41 39,41 39,41
6.068 6.068 [m3]
[m3]
(= (= 1 1 [kg])
[kg])
12.136 12.136 [m [m [m
3 ]
56,3 56,3
6.068 6.068 [m3]
[m3]
(= (= (= 1 1 [kg]) [kg])
[kg])
17

Ipsia G.Giorgi – Lucca -2008 idrogeno: energia del futuro
Petrolio
4.83 kg
56.3 kWh
Biomassa
12.71 kg
56.3 kWh
Potere calorifico
inferiore
Potere calorifico
superiore
reforming
reforming
Gas naturale
5.37m 3
56.3 kWh
Carbone
6.92 kg
56.3 kWh
reforming
1 kg di H2
39.41 kWh
potere calorifico
superiore
reforming
Contenuto per unità
di volume
elettricità
elettrolisi
Forza
idrica
56.3 kWhel
Energia
nucleare
[kJ/m 3 ] [kWh/m 3 ] [kJ/kg] [kWh/kg]
10.800 3 120.000
12.770 3,54 141.890 39,41
Condizioni standard: T = 273.15 K , p = 1.013 bar
Contenuto per unità
di massa
Energia
eolica
Energia
fotovoltaica
Energia
geotermica
_
33 . 3
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1 l di H2O
+
6.299 kWhel
(η = 70%)
elettrolisi
1,358 m 3 H2
+
0,679 m 3 O2
(η = 50%)
cella a
combustibile
2.2 kWhel
+
calore
residuo
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Ipsia G.Giorgi – Lucca -2008 idrogeno: energia del futuro
L’energia solare
Il sole ha una temperatura in superficie di 6.000 gradi
centigradi e di 16 milioni di gradi centigradi al suo
interno.Da cinque miliardi di anni l'irraggiamento solare
determina l'equilibrio dell'ecosistema della terra:
• fa crescere le piante attraverso la fotosintesi ovvero la trasformazione in energia chimica
• determina il ciclo dell'acqua che ci fornisce l'energia idraulica
• crea le correnti marine ed atmosferiche
• fornisce luce e calore:
• dalla luce attraverso celle fotovoltaiche ricaviamo energia elettrica
• dal calore attraverso collettori solari ricaviamo energia termica.
•
La potenza del sole sulla superficie terrestre è di circa 1.000 watt al metro quadro.
L'energia massima fornita in un giorno è circa 5 chilowatt/ora.
Essa dipende fortemente dalla latitudine del sito, dalla stagione, dall'ora del giorno e dalla
trasparenza dell'atmosfera.
Conversione fotovoltaica
Alcune sostanze particolari e opportunamente trattate
(semiconduttori) generano corrente elettrica per effetto
fotovoltaico quando sono esposte alla luce solare. I sistemi
fotovoltaici non possiedono parti in movimento, non
necessitano di manutenzione e non fanno uso di acqua:
possono pertanto essere installati in luoghi aridi o isolati.
Inoltre gli impianti fotovoltaici possono essere realizzati in
taglie estremamente variabili e quindi adattabili alle varie
esigenze. Il rendimento delle celle fotovoltaiche è ca del
10%, ma celle sperimentali ad arseniuro di gallioantimoniuro
di gallio sono in grado di raggiungere
un'efficienza superiore al 30%. Il costo di produzione
dell'energia elettrica con questo metodo è circa cinque volte quello di produzione con metodi
convenzionali, ma si sta progressivamente abbassando con il raffinarsi della tecnologia.
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Ipsia G.Giorgi – Lucca -2008 idrogeno: energia del futuro
COME FUNZIONA
Il processo fotovoltaico converte la luce del sole direttamente in elettricità.La cella fotovoltaica è
l’elemento fondamentale di un impianto fotovoltaico. Essa è costituita da due strati di silicio
opportunamente trattati (“drogati”); quando è colpita dalla luce, in corrispondenza della zona di
separazione tra i due strati (la cosiddetta “giunzione p-n”) si generano coppie di cariche
elettriche di segno opposto. Le cariche vengono quindi raccolte dalla griglia metallica superiore
(elettrodo negativo) e inferiore (elettrodo positivo) collegando le quali si genera una corrente
elettrica.L’intensità di corrente generata dalla cella fotovoltaica dipende dalla quantità di luce; la
tensione (quando non è collegato nessun carico), è di circa 0.5 V, un valore troppo basso per
essere praticamente sfruttabile. Le celle fotovoltaiche vengono quindi connesse in serie per
ottenere la tensione desiderata e montate su un’intelaiatura che garantisca rigidità e protezione
agli agenti atmosferici. Questo è il modulo fotovoltaico, l’unità minima di un impianto fotovoltaico
in grado di generare energia elettrica ad una tensione sfruttabile.
Collegando in serie e/o parallelo più moduli fotovoltaici si ottiene un insieme (impianto) in grado
di produrre la potenza richiesta alla tensione stabilita. Ma l’energia a questo punto si presenta
ancora sotto forma di corrente continua. Perciò è necessaria una sezione di conversione che la
trasformi in corrente alternata e possa essere in grado di immetterla nella rete di distribuzione.
Tale sezione impiantistica è formata da una serie di apparecchiature dette inverter la cui
funzione è appunto quella di trasformare la potenza istantaneamente erogata dai moduli
fotovoltaici in energia elettrica alle condizioni dettate dalla rete. Le apparecchiature sono in
genere dotate di appositi dispositivi di protezione e di interfaccia e devono rispettare le
normative e le direttive del Gestore di Rete cui l’impianto è connesso.
La tecnologia degli inverter consente di massimizzare l’efficienza complessiva della conversione
sia a pieno carico (potenza nominale) che a carico parziale, mediante una gestione automatica
che ottimizza al contempo lo sfruttamento dei dispositivi stessi e quindi la loro vita utile.
Interfacce di comunicazione ad hoc consentono la registrazione e la trasmissione dei dati di
funzionamento, la registrazione delle anomalie e il monitoraggio continuo, anche remoto.
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Ipsia G.Giorgi – Lucca -2008 idrogeno: energia del futuro
PANNELLI FOTOVOLTAICI IN SILICIO AMORFO:
è' il modulo fotovoltaico più economico, ma anche quello con il minor rendimento e, purtroppo,
anche soggetto ad un degrado del rendimento nel tempo.Questo tipo di pannello fotovoltaico si
presenta come una lastra di vetro grigio/bluastra di colore uniforme, lo spessore è di pochi
millimetri e, solitamente è dotato di una cornice in alluminio per conferire maggiore robustezza o
maneggiabilità al modulo stesso.In pratica un vetro trasparente speciale viene rivestito su di un
lato, con vari passaggi, di silicio allo stato amorfo e di vari altri prodotti, al fine di creare un
ottimo livello di impermeabilità e di isolamento elettrico.Il lato trasparente è quello che si esporrà
al Sole, mentre sullo strato opaco sono fissati dei profili di alluminio per il fissaggio al tetto. Dallo
stesso lato partono i due fili che portano la corrente generata dal pannello solare all'impianto di
trasformazione.
La tensione prodotta da ogni singolo modulo fotovoltaico è di circa 24 - 40 Volt e, una volta
collegati in parallelo tra di loro, le varie correnti si sommano e vengono convogliate all'inverter,
che è un apparecchio elettronico che trasforma la corrente continua generata dai pannelli, in
corrente alternata a 220 Volt utilizzabile nell'impianto di casa o per l'immissione nella rete Enel
per la compensazione.Il rendimento di questi pannelli fotovoltaici va dal 6 al 10 % circa, ma, nei
primi due mesi di vita, il rendimento diminuisce di circa il 20 %, per poi rimanere stabile, con un
degrado delle prestazioni che deve essere garantito, e non deve superare il 20 % nei primi 20
anni di funzionamento.In ogni caso la potenza di questi moduli la si calcola proprio
considerando immediatamente la perdita iniziale del 20 %, quindi, durante i primi mesi di vita, la
resa di un pannello venduto con potenza di 40 Watt, in realtà è di 48 Watt, fino a stabilizzarsi
effettivamente sui 40 W dopo i primi mesi di funzionamento.I pannelli fotovoltaici in silicio
amorfo sono essenzialmente di due tipi, differiscono solo per le tensioni in uscita: una più adatta
per generare corrente elettrica da reimmettere nella rete Enel, e l'altra invece più adatta per
costruire un impianto laddove l'Enel invece non arriva ( o non lo si vuole più utilizzare ), ad
esempio per case di campagnia o ad uso saltuario.In pratica i pannelli fotovoltaici per
interscambio con l'Enel hanno tensioni in uscita elevate ( circa 42 Volt ), questo per diminuire le
perdite di energia, in quanto tale perdita è inversamente proporzionale alla tensione, mentre è
proporzionale alla corrente, quindi più alta è la tensione e più la corrente è bassa, per cui
diminuisce anche la perdita energetica. Mentre i pannelli fotovoltaici per impianti stand-alone
(utenze isolate o non connesse all'Enel ) lavorano a tensioni più basse ( circa 12 Volt ) perchè
le batterie normalmente lavorano su tali tensioni.Questi accorgimenti tecnici aumentano la resa
generale di un impianto solare a moduli fotovoltaici in silicio amorfo, rispetto agli impianti solari a
pannelli fotovoltaici monocristallini o multicristallini, ma occorre tenere presente che
normalmente il rendimento del pannello fotovoltaico in silicio amorfo diminuisce di circa l'1 %
ogni anno, mentre il rendimento del pannello fotovoltaico in silicio monocristallino o
multicristallino rimane costante anche per 25 anni.
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Ipsia G.Giorgi – Lucca -2008 idrogeno: energia del futuro
PANNELLI FOTOVOLTAICI IN SILICIO MULTICRISTALLINO O MONOCRISTALLINO:
Queste due tipologie di moduli fotovoltaici appaiono esteticamente come tante celle quadrate, o
rettangolari, affiancate sotto una lastra di vetro in una cornice di alluminio.
In pratica il modulo fotovoltaico è composto da circa 30-70 celle fotovoltaiche singole
affiancate, elettricamente unite e fissate attraverso particolari materiali ad una o più lastre di
vetro in una cornice normalmente in alluminio, al fine di dare al tutto una certa robustezza,
maneggiabilità, ed ovviamente isolamento dagli agenti atmosferici.
Il rendimento globale di un pannello solare in silicio monocristallino è di circa il 13-17 %, mentre
quello di un pannello solare in silicio multicristallino è di circa il 12-14 %. Quindi, a parità di
spazio, rispetto al modulo solare in silicio amorfo, si hanno dei rendimenti doppi, o quasi tripli,
ma comunque il costo per ogni Watt producibile del mono-multicristallino rimane comunque
superiore. Oltre al fatto che, per produrre questi tipi di moduli fotovoltaici mono-multicristallini,
viene spesa molta energia, e quindi ogni modulo impiega anche 3-6 anni ( contro i circa 2-3
anni del prodotto in silicio amorfo ) per restituire la sola energia che è stata impiegata per
essere prodotto, mentre nell'arco della sua vita ne produrrà 4-8 volte di più, in particolare questo
problema è il difetto maggiore del modulo monocristallino.
Un altro difetto abbastanza fastidioso di questa ultima tecnologia fotovoltaica, è legata ad un
sostanziale diminuzione, od anche abbattimento del rendimento, in caso di ombre particolari
che coprono anche una piccola porzione del modulo, o nel caso di nuvole, o ancora durante le
ore serale o della mattina presto.
Fatto è che comunque questi due tipi di pannelli fotovoltaici rimangono ottimi prodotti di qualità
e stabilità del rendimento, che appunto rimane costante e garantito nel tempo, anche per 25
anni e, producendo più energia a parità di spazio occupato ottimizzano lo spazio, magari non
eccessivo della parte di tetto sfruttabile che è posta a Sud.
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Ipsia G.Giorgi – Lucca -2008 idrogeno: energia del futuro
Mestieri e professioni del Terzo Millennio.
...........al passo con le tecnologie............
Saldatore elettrotecnico/elettronico
I mestieri e le professioni, sopratutto in ambito tecnologico, vivono un mutamento ormai
quotidiano poiché le tecnologie si evolvono continuamente grazie al mondo
dell'industria che propone novità e prodotti sempre più efficienti, tesi a contenere i
consumi energetici e, perchè no, anche sensibili al cambiamento delle mode e dello
stile.
L'artigiano installatore ha quindi il compito di proporre all' utente i nuovi prodotti
descrivendone i vantaggi e la semplicità d'uso. Resta inteso, dunque, che ogni artigiano
o professionista deve essere costantemente aggiornato, mostrando una flessibilità
nell'operare che non era richiesta sicuramente qualche anno fa.
L'ingresso prepotente dell'informatica e del modo di pensare "informatico" ha modificato
i criteri d'installazione di qualunque prodotto tecnologico; ne consegue che la cultura del
"mestiere" che si trasferiva un tempo è ormai obsoleta ; si richiede invece una capacità
di autoaggiornamento che cresce giorno per giorno e che determina la formazione in
itinere dell'individuo.
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Ipsia G.Giorgi – Lucca -2008 idrogeno: energia del futuro
Professione: elettricista/ elettronico manutentore e installatore
L’elettricista deve saper utilizzare correttamente i concetti scientifici di base necessari
allo svolgimento del lavoro specifico e leggere correttamente schemi elettrici e
planimetrie.
Conosce le caratteristiche tecniche, i componenti utilizzati negli impianti elettrici, i
cataloghi e la documentazione tecnica del settore.
Rivolge le sue competenze e attenzioni verso evoluzioni tecnologiche degli impianti
elettrici finora non considerate come:
IL RISPARMIO ENERGETICO (pannelli fotovoltaici, gestione dei consumi ecc.)
I sistemi automatici per la gestione delle abitazioni civili (DOMOTICA)
La gestione di impianti di sicurezza antintrusione La distribuzione dei segnali di
comunicazione (impianto TV Satellitare, telefonico, reti informatiche).
Pone l'attenzione e applica la normativa sulla sicurezza degli impianti e delle
persone.
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Ipsia G.Giorgi – Lucca -2008 idrogeno: energia del futuro
Le competenze dellel’elettricista/elettronico includono:
redigere, mediante manuali tecnici, il progetto e il preventivo di spesa;
programmare il piano di lavoro ed eseguire gli impianti elettrici nel rispetto delle
normative, in materia di sicurezza sul lavoro ed antinfortunistiche;
conoscere le norme per l'uso corretto e la manutenzione delle attrezzature;
realizzare il montaggio e il cablaggio utilizzando schemi e disegni assegnati;
assemblare ed installare le apparecchiature quali: attuatori, sensori, quadro di
potenza, quadro ausiliario, unità di controllo.
Un buon elettricista deve saper formulare ipotesi sulle cause di guasto e ripristinare la
funzionalità dell'impianto elettrico, redigere relazioni tecniche e compilare schede
relative all'attività svolta nel caso lavori in impianti industriali.
Prepara la documentazione da conservare (schema dell'impianto, relazione tecnica,
materiali utilizzati, dichiarazione di conformità...) e sa utilizzare su computer pacchetti
applicativi per videoscrittura e progettazione (Cad).
Deve possedere precisione, capacità di concentrazione, ottima manualità e buona
propensione al lavoro di gruppo e alle relazioni con i clienti.
Come eravamo
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Ipsia G.Giorgi – Lucca -2008 idrogeno: energia del futuro
Professione: saldatore
Nuovi e aggiornati metodi di saldatura caratterizzano l'attività del saldatore: eccone
alcuni.
SALDATURA MIG/MAG
Generalità
La saldatura a filo continuo in atmosfera protettiva è ormai ben nota da tempo: essa è
contrassegnata dal simbolo G.M.A.W. (Gas Metal Arc Welding) che nella simbologia
internazionale ha sostituito le precedenti M.I.G. (Metal Inert Gas) e M.A.G. (Metal Active Gas),
peraltro ancora di uso corrente.
E' caratterizzata dalla fusione di un metallo d'apporto (filo continuo) entro un'atmosfera
protettiva creata da un gas; filo e gas sono condotti da una torcia che fornisce direttamente al
filo l'energia elettrica di fusione, tramite un arco che scocca tra l'estremità del filo e il pezzo da
saldare.
L'alimentazione elettrica è assicurata da una sorgente di particolari caratteristiche; si usa
normalmente corrente continua con polarità positiva al filo.
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Ipsia G.Giorgi – Lucca -2008 idrogeno: energia del futuro
SALDATURA TIG
Generalità
TIG significa "Tungsten Inert Gas".
L'arco scocca tra un elettrodo infusibile in tungsteno che svolge il ruolo di catodo (polo negativo)
mentre il pezzo - protetto da un flusso gassoso non ossidante - svolge il ruolo di anodo (polo
positivo). Questi gas o miscele per poter essere utilizzati devono necessariamente essere
chimicamente non ossidanti.
Caratteristiche principali di questo procedimento.
I vantaggi offerti dal procedimento TIG conferiscono grande duttilità d'impiego, garantendo una
qualità impeccabile anche con spessori minimi (decimi di mm). Già da diversi anni la saldatura
ad arco, in atmosfera protettiva di Argon con elettrodo refrattario (sistemaTIG=Tungsten Inert
Gas), è applicata in tutto il mondo, a quasi tutti i campi di lavoro dei metalli.
Anche in Italia si è notevolmente diffusa apportando i benefici propri di questo sistema di
unione, in molti casi l'unico che possa risolvere certi problemi.Come è noto, il principio è il
seguente: si innesca l'arco elettrico fra un elettrodo di tungsteno (refrattario e quindi non
fusibile) ed il pezzo da saldare; quest'ultimo viene localmente fuso dal calore dell'arco ed i lembi
da unire solidificano poi insieme, con l'eventuale aggiunta di altro materiale di adatta
composizione, apportato sotto forma di filo, nella zona dell'arco.
E' un procedimento simile alla saldatura ossi-acetilenica, ove alla fiamma è sostituita dall'arco
elettrico ed ove la necessaria protezione del bagno di fusione dall'influenza nociva dell'aria è
ottenuta inviando una corrente di Argon, concentricamente all'elettrodo, in modo da creare un
cono protettivo.
Speciali torce, raffreddate con diversi sistemi, assicurano le due funzioni :
• condurre la corrente all'elettrodo
• convogliare il gas ad un ugello che circonda l'elettrodo stesso.
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Ipsia G.Giorgi – Lucca -2008 idrogeno: energia del futuro
Ricerche e prototipi
Nei prossimi 25 anni la ricerca auto-motoristica sarà protagonista della formidabile sfida
tecnologica che coinvolgerà aziende e laboratori di ricerca per migliorare la compatibilità
ambientale del settore trasporti.
Nella sola Europa la totale domanda di mobilità crescerà del 2% all'anno per i passeggeri e del
3% all'anno per le merci. Il trasporto automobilistico (79% del totale), in passeggeri-chilometro,
è circa 10 volte più elevato di quello effettuato con ciascun altro mezzo di locomozione (8%
autobus, 7% aereo e 6% ferroviario). In termini ambientali, il contributo del traffico
automobilistico all'inquinamento delle città è ancora abbastanza alto: circa il 26% di CO2 e il
63% di NOx. La sfida tecnologica riguarderà la domanda di ricerca e sviluppo per far fronte alle
significative riduzioni delle emissioni previste dall'Unione Europea. Infatti, i limiti delle emissioni
di ossido di carbonio (CO), di ossido di azoto (NOx), di idrocarburi (HC) e di particolato
carbonioso, espresse in g/km, prevedono, per il 2005 (step Euro IV), una riduzione di circa il
50% sia per i veicoli con motori ad accensione comandata che per quelli con motori diesel e,
per il 2010 (step Euro V), un'ulteriore diminuzione del 50% rispetto al 2005. La figura 1 riporta
l'evoluzione di tali limiti per le vetture equipaggiate con motori diesel fino al 2010 (giallo).
I limiti 2010 sono, pertanto, un riferimento fondamentale per la sfida tecnologica in atto. L'Istituto
Motori (IM) del CNR, che conduce a Napoli attività di ricerca fondamentale ed applicata nel
campo dei motori a combustione interna e dei sistemi di propulsione avanzata, al fine di rendere
più incisiva la sua azione, ha attivato una fitta rete di collaborazioni sia con le aziende private
dei settori automotoristico (Gruppo Fiat, Iveco, VM Motori, Lombardini Motori), elettronico
(Magneti Marelli, ST Microelectronis), petrolifero (Agip Petroli) per disporre dei sistemi
tecnologici più avanzati, sia con gli enti pubblici di ricerca (Enea, Istituto per le Tecnologie
Avanzate per l'Energia "Nicola Giordano" - CNR, Istituto sull'Inquinamento Atmosferico - CNR)
e dipartimenti universitari italiani ed esteri per il confronto continuo sui risultati. Queste azioni,
intraprese dall' IM, hanno consentito di raggiungere importanti obiettivi di ricerca sia nel settore
motoristico, con la diagnostica e la simulazione multidimensionale dei processi termofluidodinamici
e della combustione dei moderni motori diesel a controllo elettronico
dell'alimentazione, che in quello della propulsione avanzata, con lo studio e la caratterizzazione
dei sistemi di conversione di idrogeno in energia elettrica per mezzo delle pile a combustibile
(fuel cell) per veicoli elettrici leggeri a zero emissioni.
FIAT SEICENTO ELETTRA H2 FUEL CELL PRESENTATA AL PUBBLICO IL 19 FEBBRAIO 2001
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Ipsia G.Giorgi – Lucca -2008 idrogeno: energia del futuro
A conferma della validità strategica dei progetti che l'Istituto ha iniziato già da alcuni anni nel
settore della propulsione a basso impatto ambientale, vi sono gli annunci di alcune aziende del
settore automotoristico circa il loro impegno per lo sviluppo di sistemi a fuel cell per veicoli
stradali. Infatti, Daimler-Chrysler, GM e Toyota hanno già da tempo presentato i primi prototipi
e, recentemente, Ford Europa (Aachen) ha proposto la Ford Focus FCV (fuel cell vehicle)
alimentata ad idrogeno con uno stack di 400 celle per una potenza di 80 kW e, infine, BMW e
Delphi Automative Systems hanno annunciato che svilupperanno la tecnologia delle fuel cell a
ossidi solidi (SOFC) per produrre energia elettrica per l'alimentazione dei servizi a bordo del
veicolo. Il Dipartimento dell'Energia Americano (DOE) ha recentemente affermato che la sfida
tecnologica per la diffusione dei veicoli a zero emissioni dovrà avere come obiettivo
l'abbattimento dei seguenti costi e/o limitazioni: 300 $/kW degli attuali sistemi di propulsione a
fuel cell contro i 50 $/kW degli attuali motori a combustione interna, 57 $/kW del platino per il
ricoprimento dell'anodo delle fuel cell, l'affidabilità delle membrane protoniche (PEM) nel tempo
(>5000 h), l'elevato tempo di messa in moto (>20 min) del sistema fuel cell ed infine l'assoluta
mancanza delle infrastrutture per la distribuzione dell'idrogeno e del combustibile da cui
ricavare l'idrogeno. Alla luce di quanto sopra, la sfida tecnologica e di ricerca dei prossimi 25
anni diventa sempre più entusiasmante.
Automobili BMW
Monaco / Miramas. L'drogeno non consente soltanto la
propulsione di vettori spaziali: BMW ha dimostrato le
potenzialità di un'auto spinta da motore a combustione interna
di idrogeno battendo 9 record mondiali. "Nove record che
segnano l'ingresso nell'Era dell'idrogeno".
La tecnologia BMW ha già percorso parecchia strada. Adesso,
assieme alle comunità politiche ed industriali, dobbiamo
trasformare in realtà, la nostra visione di mobilità
sostenibile" ha affermato il Prof. Burkhard Göschel,
membro del Consiglio di Amministrazione del Gruppo
BMW, durante le prove di superamento dei record di
velocità a Miramas. Riuscendo in questa difficile impresa
presso la pista ad alta velocità di Miramas in Francia, il
Gruppo BMW ha dimostrato chiaramente come l'idrogeno
possa sostituire efficacemente i combustibili tradizionali
senza che il conducente debba scendere a compromessi
in termini di prestazioni dinamiche.
Le caratteristiche tecniche della macchina da record
H2R confermano questa superiorità, grazie ad un
motore sei litri 12 cilindri capace di sviluppare una
potenza superiore ai 210 kW (285 CV). Questo motore
permette al prototipo di accelerare da 0 a 100 km/h in
circa 6 secondi e di raggiungere una velocità massima
di 302,4 km/h. Basato sul motore a benzina della 760i,
il motore a combustione interna di idrogeno vanta le
tecnologie più avanzate come la fasatura
completamente variabile VALVETRONIC brevettata
da BMW.
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Ipsia G.Giorgi – Lucca -2008 idrogeno: energia del futuro
Le principali modifiche apportate al motore riguardano
il sistema di iniezione del combustibile adattato dalla
BMW alle speciali caratteristiche ed esigenze della
propulsione a idrogeno. La vettura da record H2R ha
beneficiato dei vantaggi dello sviluppo di motori BMW
bivalenti della prima berlina premium a benzina e
idrogeno prodotta in serie: BMW lancerà infatti una
vettura a doppia alimentazione basata sull'attuale
Serie 7 entro la fine del ciclo di vita del modello,
introducendo così la prima vettura di questo tipo in
grado di marciare sia a idrogeno che a benzina.
Il prototipo H2R ha ottenuto i seguenti record in termini
di tempo e velocità raggiunte:
tempo in secondi / velocità in km/h
Chilometro lanciato / 11,993 / 300,190
Miglio lanciato / 19,912 / 290,962
1/8 di chilometro da fermo / 9,921 / 72,997 (0-125 m.)
1/2 chilometro da fermo / 14,993 / 96,994 (0-500 m.)
1/2 miglio da fermo / 17,269 / 104,233 (0-804,672 m.)
Miglio da fermo / 36,725 / 157,757 (0-1.609,344 m)
10 miglia da fermo / 221,052 / 262,094 (0-16.093,44 m)
Chilometro da fermo / 26,557 / 135,557 (0-1.000 m)
10 chilometri da fermo / 146,406 / 245,892
Durante i testi i collaudatori BMW Alfred Hilger, Jörg Weidinger e Günther Weber si sono dati il
cambio al volante sulla vettura dei record.
BMW ha stabilito questi record non soltanto per dimostrare la potenza e le prestazioni di cui è
capace il motore a idrogeno, ma anche per certificarne l'affidabilità e la resistenza che
dimostrano chiaramente la superiorità della BMW nello sviluppo di queste tecnologie per la
produzione di serie. In questa fase BMW si sta concentrando sul motore a combustione interna
semplicemente perché tale propulsore, data la somma totale di tutte le sue caratteristiche, offre
ancora i maggiori vantaggi e benefici a tutto tondo.
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Ipsia G.Giorgi – Lucca -2008 idrogeno: energia del futuro
AEREI BOEING
Si chiama ENFICA-FC (Environmentally Friendly Inter
City Aircraft powered by Fuel Cells) ed è un progetto
per il quale sono stati investiti 4,5 milioni di euro, di cui
2,9 da parte dell’Unione Europea. L’obiettivo del
progetto è quello di sviluppare un aereo che utilizzi le
celle a combustibile per la propulsione e anche per lo
I risultati del progetto, che è tra i più ambiziosi finanziati
dalla comunità europea, saranno presentati tra tre anni.
Boeing ha fatto volare, per la prima volta nella storia dell'aviazione, un velivolo con pilota da
celle a combustibile a idrogeno che producono energia elettrica per alimentare un motore a
elica. In pratica per la prima volta un aereo verso e proprio a fuel cell ha solcato i cieli.
Questo storico risultato è frutto del lavoro del team ingegneristico del centro Boeing Research &
Technology Europe di Madrid, con la collaborazione di partner industriali in Europa e Stati Uniti.
Questo dimostratore denominato Fcda (Fuel
Cell Demonstrator Airplane) è basato su un
motoaliante biposto Dimona con un'apertura
alare di 16,3 metri, prodotto dall'austriaca
Diamond Aircraft Industries. Il centro ha
modificato la struttura originaria in modo da
far girare l'elica mediante un motore elettrico
alimentato da un sistema ibrido di celle a
combustibile del tipo a membrana a scambio
protonico (Pem - Proton Exchange
Membrane) e di batterie agli ioni di litio
(tecnologia simile a quella di cellulari e
notebook)
Durante i voli, il pilota ha portato l'aereo fino a 1.000 metri di quota usando l'energia combinata
delle batterie e delle celle a idrogeno. Dopodichè con l'uso delle sole celle a idrogeno, ha
mantenuto a questa altitudine una rotta lineare per 20 minuti alla velocità di crociera di 100
chilometri all'ora.
Il principio di funzionamento delle celle a combustibile (o fuel cell) fu scoperto nel 1839 dal fisico
inglese William Grove e le prime applicazioni concrete risalgono alle missioni spaziali. Si tratta
di generatori chimici di energia elettrica che sfruttano il principio inverso a quello dell'elettrolisi
dove la corrente elettrica scinde le molecole di acqua in idrogeno e ossigeno. Al contrario, nelle
fuel cell questi due gas reagiscono l'uno con l'altro producendo energia elettrica, liberando
acqua. Una pila a combustibile è quindi composta da un elemento in cui idrogeno e ossigeno
vengono a contatto creando una differenza di potenziali ai capi di un anodo e di un catodo
separati, nei sistemi più moderni da una sottile membrana polimerica. La ricerca tecnologica
verte sulla riduzione di ingombri, dei pesi e dei costi.
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Alghe verdi geneticamente modificate per la produzione di idrogeno
Modificando geneticamente le alghe verdi
si potrebbero ottenere una produzione tripla d i idrogeno
E' in corso uno studio sull'utilizzo delle alghe verdi geneticamente modificate per la produzione
di idrogeno. Anastasios Melis, professore della facoltà di biologia alla University of California a
Berkeley spiega: 'Le alghe verdi geneticamente modificate hanno mostrato delle ottime
potenzialità per la produzione di idrogeno'.
Lo scienziato ha creato delle alghe verdi ogm in grado di sfruttare al meglio la luce del sole.
Questa modificazione potrebbe aumentare di tre volte la produzione di idrogeno. Le alghe
producono naturalmente idrogeno durante il processo fotosintetico ma grazie alla modificazione
genetica la produzione può notevolmente aumentare. I ricercatori hanno manipolato i geni che
controllano la quantità di clorofilla nelle membrane dei cloroplasti delle alghe. Tutti i cloroplasti
hanno 600 molecole di clorofilla e i ricercatori sono riusciti a ridurli a circa 300 e ora sperano di
arrivare a 130. A questo punto, una coltura intensiva di alghe in appositi «reattori» potrebbe
produrre un quantitativo di idrogeno tre volte superiore rispetto a quello attuale.
Secondo Melis, ottimizzando la capacità di fotosintesi delle alghe verdi, si riusciranno ad
ottenere fino a 80 Kg di idrogeno per uso commerciale per acro (circa 4.000 metri quadrati) al
giorno. In ogni caso, per applicare questo processo alla produzione di idrogeno saranno
necessari almeno altri 5 anni.
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IL NOSTRO PROGETTO
Costruzione di un tavolo sperimentale
ad uso didattico per l'estrazione dell' Idrogeno dall'acqua,
per via elettrolitica, con energia fotovoltaica.
Questa esperienza nasce dall'esigenza di trovare un nuovo combustibile per produrre
energia rifacendosi agli studi e agli esperimenti compiuti da Barsanti e Matteucci nella
seconda metà dell'ottocento. I due scienziati lucchesi realizzarono il primo motore a
combustione interna e che usava proprio l'idrogeno come combustibile.
Lo scopo di questo progetto è far conoscere la verità scientifica sull'invenzione del
motore a scoppio,infatti recentemente, nell'anno 2004 il Deutsches Museum di Monaco
di Baviera ha riconosciuto a Eugenio Barsanti e Felice Matteucci la paternità del motore
a scoppio.
Attualmente le ricerche sono tese a produrre idrogeno a basso costo, con basso
impatto ambientale e nel rispetto dei criteri di sicurezza, specialmente nel settore
dell'autotrazione.
Nonostante siano passati più di 150 anni la strada per un uso sistematico dell'idrogeno
è ancora lunga a causa dei numerosi problemi di immagazzinamento. Questo gas,
presente in natura in grande quantità, rappresenterebbe un valido contributo alla
diminuzione dell'inquinamento atmosferico e contemporaneamente costituirebbe un
fattore importante per il cambiamento della situazione economica e geopolitica del
mondo.
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Descrizione dell'esperienza
1. Dal motore di Barsanti e Matteucci alle celle a combustibile. (Ricerca)
2. Visita guidata alla fondazione Barsanti e Matteucci di Lucca.
3. Tavolo sperimentale per la produzione di idrogeno ad uso didattico (costruzione).
4. Produzione di idrogeno per via elettrolitica dall’acqua (H2O) con energie
5. rinnovabili fornita da un pannello fotovoltaico.(assemblaggio).
6. Alimentazione mediante Idrogeno e ossigeno di una Cella Combustione per
generare energia elettrica.(assemblaggio).
7. Dato l'elevato potere esplosivo dell'idrogeno a temperatura ambiente e a basse
pressioni, la nostra esperienza non ne prevede l'uso come combustibile in un
motore a scoppio, come invece fecero Barsanti e Matteucci nel 1853. E' stata
invece adottata la soluzione che prevede la generazione di energia elettrica da
parte di una cella a combustione. Tale dispositivo fornisce energia elettrica nella
fase di ricombinazione di idrogeno e ossigeno.(assemblaggio) .
8. Energia elettrica trasformata in energia meccanica attraverso un piccolo motore
elettrico (elica rotante).(collegamenti elettrici)
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Fasi dell’ esperienza
Ricerca sulle attività di Barsanti e Matteucci.
Le classi in visita alla fondazione Barsanti e Matteucci.
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Esperimento, progetto di massima e ricerca materiali.
Pannello fotovoltaico da 20 Wp
Piccolo modulo fotovoltaico
che produce in condizioni ottimali 20 Watt a 12V
Ideale per hobbistica, segnalazione stradale,
carica batteria per camper o nautica
ed esperimenti solari.
Centralina per produzione elettrolitica.
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Supporto metallico
Cella a combustibile (Fuel cells).
Motore elettrico in corrente continua.
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Strumenti,alimentazione e misura.
Collegamenti elettrici.
Documentazione
di tutte le fasi operative su di un supporto informatico ad uso didattico.
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La bozza del progetto è stata proposta agli alunni delle classi terza operatori termici
sez. A, operatori meccanici sez. A, e quarta tecnici elettronici sez. A. Gli alunni
dopo aver redatto i primi disegni,aver individuato i materiali da usare e aver fatto un'
aggiornamento sui software necessari hanno proceduto alla stesura del progetto
definitivo e a alla realizzazione dei dispositivi. Gli alunni della quarta elettronici hanno
provveduto a fare i collegamenti elettrici necessari; inoltre hanno fatto la presentazione
multimediale sottoforma di Web e la presentazione delle esperienze in forma cartacea.
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Scelte e ruoli
Il pannello fotovoltaico è stato scelto come fonte di energia rinnovabile e di facile
utilizzazione . Sono Stati studiati i principi di funzionamento ed istallazione.
Per la centralina elettrolitica la scelta del materiale è ricaduta sul plexiglass perchè,
essendo un materiale trasparente e di facile lavorazione, permette di vedere il
fenomeno elettrolitico della scissione dell’acqua(H2O) in gas. La scelta ha permesso
agli allievi della 3^oma di lavorare alle macchine utensili materiali diversi da quelli
tradizionali che vengono sempre più impiegati nelle produzioni industriali moderne.
Per il supporto metallico è stato scelto acciaio inox , visto questo materiale è il
maggiormente impiegato nelle industrie chimica,cartaria,farmaceutica ed alimentare:
tutti settori presenti sul nostro territorio. Sono stati analizzati i vari aspetti della
lavorazione tenendo conto dei temi relativi alla sicurezza, al rispetto della salute e
rispettando i moderni processi di lavorazione. Le tecnologiche che caratterizzano la
saldatura ad arco elettrico T.I.G.(tungsteno inerte gas) M.I.G (migsteno inerte gas) ,
pulsato, ripulitura e rifinitura sono state curate dalla 3^ota.
Cella a combustibile
scatola di montaggio, assemblaggio , collaudo 3^ota - 4^Tna.
Motore elettrico a corrente continua, strumenti, alimentatore (costruito dall'alunno Mirko
Quaranta Terza TLC) e misura con apposito multimetro interfacciato con un pc che
permette di misurare istante per istante la produzione di energia elettrica del pannello in
base alla luminosità e quindi della quantità e volendo, anche la produzione dei gas.
Gli impianti elettrici e idraulici sono stati eseguiti dalle classi 4^Tna e 3^ota
Ricerche e presentazione e wizard in Power Point:
Calogero Stefano La Mattina, Simone Cervelli, Maikol Polloni
Ricerche e presentazione WEB e impaginazione cartacea :
Nicola Fambrini, Stanislao Pompa
Coordinamento realizzazione esperienza
prof. Mariano Alberigi
Coordinamento pubblicazioni
prof. Edualdo Gini
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Incontri e conferenze.
Grazie alla preziosa collaborazione del Prof. Roberto Ciari docente di Chimica Fisica
presso l' ITI E. Ferrari di Borgo a Mozzano - Lucca , del prof. Giacomo Ricci ex
insegnante di Matematica e Fisica e con la gentile disponibilità della Fondazione
Barsanti e Matteucci di Lucca è stato possibile approfondire il percorso storico e
tecnologico delle ricerche sull 'idrogeno avviate da Eugenio Barsanti e Felice
Matteucci .
Prof. Roberto Ciari
prof. Giacomo Ricci
In visita alla fondazione Barsanti e Matteucci
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a.s. 2007/2008
XXVIII CONCORSO ARTIGIANATO E SCUOLA
Classi coinvolte
Terza Operatori Termici sezione A
Terza Operatori Meccanici sezione A
Quarta Tecnici Elettronici sezione A
un ringraziamento particolare a
Fondazione Barsanti e Matteucci – Lucca
prof. Roberto Ciari docente di Chimica Fisica presso l' ITI E. Ferrari di Borgo a Mozzano
prof. Giacomo Ricci ex insegnante di Matematica e Fisica
Roberto Cerri inegnante IPSIA G.Giorgi
Piero Bertolucci, Roberto Camoscini, Roberto Frediani, Luciano Marracini
collaboratori tecnici IPSIA G.Giorgi - Lucca
Ricerche e presentazione wizard in Power Point:
Calogero Stefano La Mattina, Simone Cervelli, Maikol Polloni
Ricerche, presentazione WEB e impaginazione cartacea :
Nicola Fambrini, Stanislao Pompa
Coordinamento realizzazione esperienza
prof. Mariano Alberigi
Coordinamento pubblicazioni
prof. Edualdo Gini
IPSIA G.Giorgi – 2008
Dirigente scolastico prof. Erminio Serniotti
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2008
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