energia e trasporti: un problema per ora irrisolto

[pagheca]

Ho letto parecchi interventi su questo forum che mi pare facciano un po' di confusione quando si parla del problema energia. Vorrei provare a fare un po' d'ordine se me lo permettete.

Scrive per esempio FreeRider in un altra discussione ("il vecchio motore reagisce ruggendo"):

Tuttavia [con i nuovi catalizzatori] non viene risolto il problema a monte, che riguarda l'energia (quale ed a quale costo) usata nella fase di separazione. Questa fase non puo' essere "on-board" perché la termodinamica ci dice che il bilancio è negativo ed insufficente a muovere un veicolo ed avremmo bisogno di una fonte esterna di energia per alimentare il sistema. La produzione è quindi nelle fabbriche di Idrogeno. Rimangono aperti i problemi di stoccaggio e trasporto.
Giusto proseguire la ricerca e valutare i progressi ma anche tenere sempre presenti tutte le considerazioni di contorno.
FreeRider

Il fatto e' che ci sono due tipi di utenza: quelle permanentemente connesse alla rete elettrica e quelle che non lo sono, come i mezzi di traporto. Questo puo' essere a sua volta scisso in due diversi aspetti: trovare un contenitore di energia ad elevato rapporto capacita'/peso, che offra un rapido trasferimento dell'energia.

Entrambe queste due esigenze sono state finora coperte con ineguagliabile successo dalla rete di distribuzione di benzina e gasolio. Vorrei far notare che e' incidentale che questi due carburanti siano stati anche impiegati per produrre energia elettrica (e calore) per le utenze connesse. Se anche si fosse trovato un modo sicuro di produrre energia con grandi centrali nucleari, per esempio, il problema del trasporto sarebbe rimasto irrisolto in mancanza di benzina o gasolio (o di microreattori nucleari...). L'idrogeno offre quindi una soluzione alternativa al secondo aspetto, quello del trasporto, a condizione che si trovi un modo economico di produrlo. Per le utenze connesse il problema e' invece stato risolto mediante la rete di distribuzione elettrica.

Per quanto riguarda la produzione di energia, nessuno e' cosi' ingenuo da pensare di risolverlo con l'idrogeno. Ma se ci si pensa bene, questa e' la parte facile del problema. Di energia primaria ce n'e' ovunque a bizzeffe: solare, eolica, geotermica, mareale, etc. e il problema produzione e' in via di risoluzione tutto sommato senza grandi scosse. Basta volare su molti paesi del nord Europa per notare per esempio quanto si siano diffusi in poco tempo i campi di generatori eolici. Altre forme di produzione dell'energia sono disponibili sul mercato e la loro disponibilita' cresce anno dopo anno: generatori fotovoltaici, pannelli solari, etc.

Invece, a pensarci bene, il problema del trasporto e' ancora lungi dall'essere risolto. Apparte qualche auto elettrica con autonomia e prestazioni scarsissime, non c'e' quasi nulla di disponibile sul mercato per il trasporto puntuale e personale (escludendo quindi i treni, che non godono di queste due caratteristiche) che offra prestazioni e costi comparabili al buon vecchio motore a combustione interna unito alla rete di distribuzione dei carburanti, ma con un impatto ambientale minimo e che sia rigenerabile. Ma siamo talmente abituati a fare il pieno di "energia" in 5 minuti, che quasi non ci rendiamo piu' conto dell'incredibile performance di un prodotto, il litro di benzina, che permette a 4 persone di percorrere in pochi minuti 20 e piu' km per poco piu' di 1 euro.

Mi sembra quindi che e' vero che un grande sforzo va fatto per risolvere il problema della produzione di energia nell'era post-carburanti fossili, ma uno ancora maggiore va fatto per risolvere quello del trasporto, se non vogliamo trovarci a dover cambiare radicalmente, in 2 o 3 decenni, il nostro stile di vita o a rischiare la catastrofe ambientale.

saluti
pagheca

[FreeRider]

Il fatto e' che ci sono due tipi di utenza: quelle permanentemente connesse alla rete elettrica e quelle che non lo sono, come i mezzi di traporto. Questo puo' essere a sua volta scisso in due diversi aspetti: trovare un contenitore di energia ad elevato rapporto capacita'/peso, che offra un rapido trasferimento dell'energia.

Entrambe queste due esigenze sono state finora coperte con ineguagliabile successo dalla rete di distribuzione di benzina e gasolio. Vorrei far notare che e' incidentale che questi due carburanti siano stati anche impiegati per produrre energia elettrica (e calore) per le utenze connesse. Se anche si fosse trovato un modo sicuro di produrre energia con grandi centrali nucleari, per esempio, il problema del trasporto sarebbe rimasto irrisolto in mancanza di benzina o gasolio (o di microreattori nucleari...). L'idrogeno offre quindi una soluzione alternativa al secondo aspetto, quello del trasporto, a condizione che si trovi un modo economico di produrlo. Per le utenze connesse il problema e' invece stato risolto mediante la rete di distribuzione elettrica.

Grazie per aver cercato di chiarire alcuni possibili equivoci.
E proprio per questo (per fare anche io ordne) preciso: il trasporto di idrogeno non è affatto un problema risolto come sembra che tu dica.
Oggi per trasportarlo puro (H) va messo liquido in pressione; questo è costoso (serve energia per comprimere, da aggiungere all'energia consumata per produrlo) e anche estremamente pericoloso.
Pensa a cosa succederebbe in caso di incidente ad un veicolo. Vediamo tante immagini di vetture completamente distrutte. Immagino tu abbia idea di quante bombole un veicolo ad idrogeno ha a bordo per avere una autonomia decente.

Pensa a cosa succederebbe in caso di incidente ad un veicolo industriale e peggio ancora ad una cisterna di rifornimento.
Daccordo che esiste una "soluzione alternativa" ma non sembra affatto soddisfacente.
L'idrogeno liquido è molto piu' pericoloso della benzina.

Il trasporto (in cisterna o nel veicolo) a -20kelvin poi richiede ulteriore energia per mantenere sempre il freddo nulla toglie al problema della sicurezza, anzi un thermos come sappiamo è ancora più fragile.
Manternere i -20K è possibile per un autobus urbano ma impossibile per un veicolo privato che fa il pieno ogni settimana o due.
Lasci la macchina in garage collegata alla corrente dell'edificio per mantenere fredde le bombole?
Non sta in piedi.
Non è solo il problema della produzione come dici ma quello del trasporto ad essere ancora oggi problematico.

Altre strade è di non averlo puro ma trasportarlo legato ad altri atomi (come nel caso dell'etanolo che l'amico ambientalistaPD ha segnalato). Ma qui c'è in ballo l'energia per slegare on board l'idrogeno dagli atomi di carbonio e di ossigeno.
Ed anche il classico "che fare" per gli scarti. Nel caso dell'etanolo come scarto abbiamo carbonio ed ossigeno. Una combinazione potenzialmente pericolosa per chi vuole abbattere l'anidride carbonica che immettiamo nell'ambiente.

FreeRider

[pagheca]

Altre strade è di non averlo puro ma trasportarlo legato ad altri atomi (come nel caso dell'etanolo che l'amico ambientalistaPD ha segnalato). Ma qui c'è in ballo l'energia per slegare on board l'idrogeno dagli atomi di carbonio e di ossigeno.
Ed anche il classico "che fare" per gli scarti. Nel caso dell'etanolo come scarto abbiamo carbonio ed ossigeno. Una combinazione potenzialmente pericolosa per chi vuole abbattere l'anidride carbonica che immettiamo nell'ambiente.

FreeRider

Mi premeva sottolineare che il problema delle utenze connesse e quello delle utenze non connesse, come le ho chiamate, sono completamente disaccopiati, e che il secondo e' assai piu' difficile da risolvere del primo. L'obiezione che fai tu e' comunque giusta e aggiunge un altro argomento al problema di trovare un sostituto della benzina ecocompatibile e con proprieta' equivalenti.

Proviamo a fare un po' di conti. La densita' volumetrica di energia dell'idrogeno in Megajoule/litro e' poca cosa se comparata con quella di altri materiali:

H2 liquido : 10.1
H2 a 700 bar : 5.6
H2 a press amb. : 0.01
gas naturale comp.: 10
Propano LPG : 25.3
Benzina : 34.0
Gasolio : 42.3

Questi numeri dicono che a parita' di efficienza del "motore", una bombola di idrogeno a 700 bar consente un'autonomia ~6 volte minore di quella di un serbatoio di benzina di volume equivalente. Ma poiche' l'efficienza energetica tipica di una fuel cell e' del 50%, mentre quella di un motore a combustione interna e' del 20%, il fattore si riduce a 2.5. Inoltre, ci sono altre tecniche per incrementare la densita' dell'H2 utilizzando dei materiali che lo impacchettano in una sorta di reticolo, e in maniera reversibile. Per capire come, suggerisco la lettura di questo articolo su wikipedia: http://en.wikipedia.org/wiki/Hydrogen_storage.

Inoltre, la ricerca va avanti in maniera a volte piu' rapida, a volte piu' lenta del previsto. Altre volte, soprattutto nei settori relativamente poco comuni, ci sono dei breakthrough sorprendenti e inattesi, come nel caso del superconduttori ad alta temperatura. In quel caso la situazione e' cambiata drammaticamente nel giro di pochi mesi per poi procedere di nuovo assai lentamente. Cosi', spinta dalla crisi energetica che deve prima o poi arrivare, l'efficienza sia dei motori tradizionali che delle fuel cell potrebbe aumentare sensibilmente in futuro, nuovi materiali in grado di immagazzinare H2 a piu' alta densita' potrebbero saltare fuori e nuove tecniche per l'immagazzinamento dell'H2 potrebbero diventare disponibili.

saluti
pagheca

[franz]

Questi numeri dicono che a parita' di efficienza del "motore", una bombola di idrogeno a 700 bar consente un'autonomia ~6 volte minore di quella di un serbatoio di benzina di volume equivalente. Ma poiche' l'efficienza energetica tipica di una fuel cell e' del 50%, mentre quella di un motore a combustione interna e' del 20%, il fattore si riduce a 2.5. Inoltre, ci sono altre tecniche per incrementare la densita' dell'H2 utilizzando dei materiali che lo impacchettano in una sorta di reticolo, e in maniera reversibile. Per capire come, suggerisco la lettura di questo articolo su wikipedia: http://en.wikipedia.org/wiki/Hydrogen_storage.

Ciao,
Un fattore 2.5 comporta comunque che invece di un volume di 60 litri di carburante se ne devono prevedere 150; questo comporta una grossa riduzione di spazio per passeggeri e bagaglio (ed un grande aumento dei rischi in caso di incidente) e spiega perché oggi le celle a combustibile sono applicazioni installate a titolo sperimentale solo su grandi automezzi commerciali.

Per i rischi è chiaro che se il serbatorio di idrogeno fosse grande 1 cm2 sarebbe possibile isolarlo e difenderlo da urti e da ogni genere di incidente ma se ha la capienza di 150~200 litri allora è difficile che in caso di incidente grave la macchina non esploda totalmente perché il sebatorio è stato coinvolto e danneggiato.

Per quanto riguarda la wiki-scheda ho la fortuna di avere in casa un Ing in nanoteclogogie e proprio parlando ieri di nanotubuli come applicazione per l'Idrogeno mi spiegava il sostanziale fallimento delle speranze accese pochi anni fa.
Non vuol dire che i fallimenti duraranno per sempre ma solo che questi legami sono si' reversibili ma hanno per ora un costo energetico superiore a quanto auspicato per rendere appetibile la tecnologia.

Un fatto è chiaro. Se H non esiste puro in natura è perché ha la maledetta indole a legarsi con qualsiasi cosa trovi in giro.
Nel farlo va a sistemarsi in una configurazione energetica piu' bassa e stabile. Ma che è trasportabile.
Per riaverlo puro occorre spendere energia.

Ciao,
Franz

[gabriele]

Un fatto è chiaro. Se H non esiste puro in natura è perché ha la maledetta indole a legarsi con qualsiasi cosa trovi in giro.

Francesco, faccio finta di non aver letto

Gabrive

[gabriele]

Proviamo a fare un po' di conti. La densita' volumetrica di energia dell'idrogeno in Megajoule/litro e' poca cosa se comparata con quella di altri materiali:

H2 liquido : 10.1
H2 a 700 bar : 5.6
H2 a press amb. : 0.01
gas naturale comp.: 10
Propano LPG : 25.3
Benzina : 34.0
Gasolio : 42.3

Ciao Pagheca.

Scusa l'intrusione, ma i dati che esponi si riferiscono alla combustione del materiale in assenza di catalizzatori?

Ricordo che la reazione di combustione in cella è mediata da catalizzatori.

Gabrive

[franz]

Un fatto è chiaro. Se H non esiste puro in natura è perché ha la maledetta indole a legarsi con qualsiasi cosa trovi in giro.

Francesco, faccio finta di non aver letto

Gabrive

Gabriele, io allora faro' finta che tu non abbia capito e lo spiego meglio.
A parte le stelle, dove non andiamo col cammin a fare il pieno di H, l'idrogeno in natura è legato ad altri atomi perché il legame porta la molecola nuova ad un livello energetico piu' basso. Infatti per slegarlo occorre spendere energia, che verrà resa al momento di rilegarlo con altri atomi. Ecco perché H è un vettore di energia.

Franz

Ulteriore precisazione:

Scusa l'intrusione, ma i dati che esponi si riferiscono alla combustione del materiale in assenza di catalizzatori?

L'energia di cui parla pagheca è una sorta di energia potenziale intrinseca che potremmo estrarre con una efficenza di trasformazione del 100%. A seconda del tipo di reazione (combustione, catalisi etc) poi ci avviciniamo allontaniamo dal 100%. L'energia in un litro di H ad una certa pressione è un dato fisico costante. Di piu' non si puo' ottenere.

[pagheca]

Ulteriore precisazione:

Scusa l'intrusione, ma i dati che esponi si riferiscono alla combustione del materiale in assenza di catalizzatori?

L'energia di cui parla pagheca è una sorta di energia potenziale intrinseca che potremmo estrarre con una efficenza di trasformazione del 100%. A seconda del tipo di reazione (combustione, catalisi etc) poi ci avviciniamo allontaniamo dal 100%. L'energia in un litro di H ad una certa pressione è un dato fisico costante. Di piu' non si puo' ottenere.

Non sono un esperto in materia, ma penso che Franz ti abbia risposto in modo corretto.
Riguardo ai materiali necessari per incrementare la densita' di H2 (a parita' di temperatura) e' vero che i nanotubi di carbonio hanno deluso dopo un'iniziale euforia. Ma esistono diversi altri materiali che offrono buone prestazioni, e la ricerca va avanti alla ricerca di nuove soluzioni.

saluti
pagheca

[franz]

Riguardo ai materiali necessari per incrementare la densita' di H2 (a parita' di temperatura) e' vero che i nanotubi di carbonio hanno deluso dopo un'iniziale euforia. Ma esistono diversi altri materiali che offrono buone prestazioni, e la ricerca va avanti alla ricerca di nuove soluzioni.

saluti
pagheca

Giusto, ma se per questo la ricerca è a 360 gradi, anche al di fuori delle pile ad idrogeno.
Ad esempio un buon sostituto dell'idrogeno è lo zinco.
Vedere http://it.wikipedia.org/wiki/Pila_zinco-aria
ed anche http://it.wikipedia.org/wiki/Economia_allo_zinco
In pratica l'idrogeno non é l'unico atomo adatto a produrre corrente in una pila/cella a combustibile.
Lo zinco (atossico e non inquinante) e puo' essere usato sia per liberare H2 dall'acqua distllata sia per produrre elettricità in presenza di ossigeno atmosferico.
Lo svantaggio è che le batterie zinco-aria non sono ricaricabili da noi ma solo rigenerabili in fabbrica e soffrono della carenza di ossigeno (alta quota).
Hanno pero' una buona autonomia (500 km in ambito alpino tra Torino e Lione) e le applicazioni sono già pronte.
Non inquinano, non esplodono, non bruciano, non emettono acidi. L'ossido di zinco, per intenderci, è un potente sbiancante e viene usato nelle pitture per le nostre pareti, nei detersivi (che altrimenti sarebbero grigi) e nelle creme per la protezione solare della nostra pelle.
La scheda di wikipedia sullo Zinco ci ricorda che esso è il quarto metallo più comune nell'uso tecnologico dopo ferro, alluminio e rame, per tonnellate di metallo prodotto annualmente. Non è quindi raro.

Ciao,
Franz

Aggiunta ulteriore: le pie a zinco-aria sono anche molto leggere (rispetto a pile con altri metalli) e questo, parlando di trasporto è un altro fattore positivo.

[franz]

Sul tema .... ecco come forse in futuro il wireless potrebbe risolvere i problemi di chi non è attaccato con i cavialla corrente.

Ovviamente ogni medaglia ha un suo rovescio ed anche il wireless non è esente da aspetti negativi.

Ciao,
Franz

---

La tecnologia Intel sulla strada dell'alimentazione senza fili
Possibili anche pacemaker. "Ma non subito", avverte Rattner
In pensione cavi e batterie
presto il pc sarà solo wireless
di SARA FICOCELLI

ADDIO a cavi e batterie: presto potremo accomodarci al parco, al bar o in treno e navigare senza l'incubo che si spenga il pc. Il Chief Technology Officer di Intel, Justin Rattner, ha infatti annunciato che i laboratori della sua azienza, partendo dalla tecnologia messa a punto dai ricercatori del MIT, stanno lavorando a un nuovo tipo di tecnologia wireless capace di ricaricare il computer senza bisogno di batterie. La notizia è stata data ufficialmente in occasione del Developer Forum di San Francisco.

Insomma, siamo a un passo dall'alimentazione senza fili. In soldoni il pc diventerà un accessorio come un altro, autonomo e capace di "assistere" l'essere umano senza bisogno di dipendere da una ricarica. Rattner ha già mostrato come un Wireless Resonant Energy Link (WREL) sia capace di alimentare una lampadina da 60 Watt senza usare né cavi né prese elettriche, con una dispersione di energia pari al 30%. Un'energia sufficiente ad alimentare anche un computer portatile.

Trasmettere energia attraverso l'aria è comunque un campo di ricerca abbastanza vecchio (uno dei pionieri è stato Tesla, all'inizio del '900), ma non ha mai portato grandi risultati. In passato gli studiosi cercavano di far percorrere all'energia grandi distanze, ma si scontravano con il fatto che la maggior parte dell'energia andava sprecata. La "scoperta" in questione è più che altro un' "intuizione intelligente" basata sul fatto che la situazione è cambiata rispetto al passato: visto che l'elettricità arriva dovunque con la corrente, non serve un metodo di trasmettere energia a lungo raggio, ma basta un metodo efficiente su brevi distanze. In pratica lo scopo di tutto è rimuovere i cavi di alimentazione.

"Un passo importante - dice l'ingegnere Intel Joshua Smith - tra qualche anno avremo la possibilità di usare il pc anche a grande distanza dalla stazione wireless". La tecnologia WREL impiega dei risonatori in grado di assorbire l'energia anche a distanza: questo significa che sarà possibile anche lavorare con i laptop a diversi metri di distanza dalla fonte wireless.

Il mercato per i dispositivi wireless da anni ormai è in forte ascesa. Da un giro d'affari pari a 300 milioni di dollari nel 1998, è passato a 1,6 miliardi nel 2005. Le reti wireless oggi vengono installate negli aeroporti, nelle università, nei parchi pubblici delle grandi città e aiutano le persone a connettersi a internet senza bisogno di cavi. Tra qualche anno, oltre che fornire l'allacciamento alla rete, permetteranno di usare illimitatamente il pc dappertutto, senza l'incubo che la batteria si scarichi.

Si tratta comunque di una realtà non ancora pronta per essere messa sul mercato. "Rimangono ancora molte sfide ingegneristiche e molto lavoro lavoro da fare", spiega prudentemente Rattner.

Marin Soljacic, docente di fisica al Mit, ha aggiunto che sono tante le applicazioni pratiche di questo tipo di tecnologia, dal pacemaker al cuore artificiale, capace di "vivere" grazie a un'alimentazione wireless. Altro che fantascienza: la WiT-ricity, frutto della combinazione tra "wireless" ed "electricity", riesce ad accendere una lampadina a distanza. Perché non alimentare il dispositivo che fa battere un cuore?

(24 agosto 2008)
www.repubblica.it