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IDROGENO
Corso di Sistemi Energetici A.A. 2003Corso di Sistemi Energetici A.A. 2003Corso di Sistemi Energetici A.A. 2003Corso di Sistemi Energetici A.A. 2003----2004200420042004
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Produzione dell’Idrogeno
BiomasseBiomasseBiomasseBiomasse CarboneCarboneCarboneCarbone Idrocarburi leggeriIdrocarburi leggeriIdrocarburi leggeriIdrocarburi leggeri HHHH2222OOOO
IdrogenoIdrogenoIdrogenoIdrogeno
Processi di GassificazioneProcessi di GassificazioneProcessi di GassificazioneProcessi di Gassificazione Steam reformingSteam reformingSteam reformingSteam reforming Energia elettricaEnergia elettricaEnergia elettricaEnergia elettrica
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Reazioni di gassificazione e shift
Nel caso si voglia ottenere idrogeno partendo da carbon fossile le reazioni chimiche associate sono le seguenti:
COHOHC +→+22
gassificazione
222COHOHCO +→+ shift
Esistono diverse tipologie di gassificatori: a letto mobile (450 ÷500°C), a letto fluido (800 ÷ 1000°C), a letto trascinato (1200 ÷1400°C). A valle del gassificatore è sempre presente una sezione di purificazione del combustibile.
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Reazioni di steam reforming e shift
Nel caso di idrocarburi leggeri l’idrogeno è prodotto mediante la reazione di steam reforming, che consiste nella conversione catalitica con vapore d’acqua in presenza di catalizzatore (normalmente a base di Nichel o di ossidi di Magnesio).
22 )2/( HnmnCOOnHHC mn ++→+
222 nHnCOOnHnCO +→+
reforming
La reazione di steam reforming avviene attorno ad una temperatura di 800°C; a seguito della reazione in oggetto si ha sempre quella di shift che permette la conversione del monossido di carbonio in anidride carbonica.
shift
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Reazione di ossidazione parziale
In questo processo il combustibile viene fatto reagire con l’ossigeno dell’aria (la reazione può avvenire sia in presenza che in assenza di catalizzatore). Per esempio nel caso si parta da metanolo:
222322/1 COHOOHCH +→+
Nel caso di benzina la reazione è la seguente:
222218881784 COHOHOHC +→++
Nel caso si ricorra all’ossidazione parziale non è necessaria la reazione di riconversione del CO, caratteristica nei processi di gassificazione e steam reforming.
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Produzione per via elettrolitica
L’Idrogeno gassoso può essere ottenuto anche per via
elettrolitica scindendo la molecola dell’acqua nei suoi due
costituenti. Visto il “pregio” dell’energia elettrica non è
molto conveniente produrla per alimentare il processo
elettrolitico di estrazione dell’idrogeno. Può essere
razionale utilizzare l’energia elettrica, a tal fine, durante le
ore notturne o nei periodi di scarso impegno di potenza.
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Schema di un impianto per la produzione di idrogeno con cattura di CO2 alimentato a carbone
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Stima dei costi di un impianto per la produzione di idrogeno con cattura di CO2 alimentato a carbone
*PCI Carbone = 6000 kcal/kg, Prezzo Carbone = 0.05 €/kg
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Proprietà fisiche dell’idrogeno
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Idrogeno come combustibile
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Tecniche di accumulo dell’Idrogeno (I)
Stoccaggio in bombole ad alta
pressione 200÷250 bar
E’ prossimo l’impiego di bombole con livello massimo di
pressione pari a 350 bar, già si parla però di pressioni ancora
superiori attorno ai 700 bar.
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Tecniche di accumulo dell’Idrogeno (II)
Stoccaggio in forma
liquida a –253°C
E’ possibile immagazzinare, a parità di volume, una quantità
superiore di Idrogeno rispetto all’accumulo allo stato gassoso, a
pressioni relativamente basse (2÷3 bar). I problemi di
isolamento termico oggi sono stati completamente superati. Un
esempio di estrema funzionalità è il serbatoio della BMW 750h,
realizzato dalla casa Bavarese e dalla LINDE, azienda tedesca
molto importante nel settore dei gas tecnici.
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Tecniche di accumulo dell’Idrogeno (III)
L’idrogeno può legarsi chimicamente con diversi metalli e leghe
metalliche, formando idruri. Questi composti sono in grado di
intrappolare l’idrogeno, a pressioni relativamente basse.
L’idrogeno penetra all’interno del reticolo cristallino del metallo,
andando ad occupare i siti interstiziali. Un idruro molto diffuso è
il LiH. Il problema maggiore legato agli idruri metallici è il peso
del serbatoio e la attuale scarsa capacità di accumulo. Per
contro, gli idruri rappresentano, ad oggi, la modalità di accumulo
dell’idrogeno più sicura. Attualmente la ricerca in questo settore
è particolarmente attiva e diversi tipi di idruri sono oggetto di
sperimentazione.
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Sicurezza
SICUREZZASICUREZZASICUREZZASICUREZZA H2 Metano Benzina
Limite di infiammabilità, aria (%vol) 4.0 - 75.0 5.3 –15.0
1.0 – 7.6
Limite di detonabilità, aria (%vol) 18.3 –59.0
6.3 –13.5
1.1 – 3.3
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Schema di un impianto per la liquefazione dell’idrogeno
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Stima dei costi di un impianto per la liquefazione dell’idrogeno
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Schema di una possibile soluzione per la produzione, il trasporto e la erogazione di idrogeno
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Stima dei costi distribuzione H2 liquido e gassoso