Utopie e Realtà dell'Economia all'Idrogeno: tra Teoria e Applicazioni
Tesi di Laurea del Dott. Martino Sotgiu
Lunedi 11 Aprile 2005 Martino Sotgiu si è laureato in Economia Aziendale presso la Facoltà di Economia
dell'Università degli Studi di Torino con votazione 110 con menzione presentando tale Tesi di Laurea.
Relatore: Prof. Teodoro Dario Togati
Correlatori: Ing. Zefferino Pavanelli
Dott.ssa Enrica Vesce
Durante la discussione della Tesi di Laurea il Presidente della Commissione di Laurea, Prof. Reviglio ha sottolineato come la migliore difesa per l'economia di una nazione al crescente prezzo dei combustibili fossili e degli idrocarburi sia, dal punto di vista macroeconomico un miglioramento continuo dell'efficienza dei sistemi di produzione e di utilizzo dell'energia.
Questo elemento è particolarmente vero anche nei trasporti, soprattutto per il traffico automobilistico; infatti un motore a benzina esplica un rendimento massimo di conversione dell'energia termica in energia meccanica del 30%; tuttavia il rendimento medio in un percorso misto cittadino e su strada provinciale è molto più basso, intorno al 15%, a causa della notevole diminuzione del rapporto di compressione della miscela ai bassi regimi di potenza (il rapporto di compressione geometrico del motore resta costante, ad es. 9:1, ma la minore immissione di miscela ai bassi regimi di funzionamento determina un rapporto di compressione effettivo molto più basso, ed una conseguente riduzione del rendimento del motore stesso).
(tratto da un report del Dipartimento per l’Energia del Governo Americano)
Analizzando più attentamente la curva segmentata, che rappresenta la percentuale/100 della potenza erogata da un motore di media cilindrata in un percorso misto strada di città e strada provinciale, su un totale di 100 ore di percorrenza risulta (con riferimento alla curva verde che rappresenta il rendimento di un motore a benzina):
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Ore di funzionamento |
Energia media erogata |
Efficienza del motore |
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Per 28 ore |
O,5 Kw * 28 = 14 Kwh |
2% |
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Per 14 ore |
2 Kw * 14 = 28 Kwh |
5% |
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Per 19 ore |
4 Kw * 19 =76 Kwh |
12% |
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Per 21 ore |
6 Kw * 21 = 126 Kwh |
15% |
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Per 13 ore |
8 Kw * 13 = 104 Kwh |
20% |
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Per 4 ore |
11 Kw * 4 = 44 Kwh |
22% |
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Per 1 ora |
14 Kw * 1 = 14 Kwh |
26% |
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Totale 100 ore |
Totale 406 Kwh |
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Per cui:
dalla media ponderata risulta η = 15,7
Da notare che il rendimento effettivo di un motore ad accensione a scintilla, pur essendo inferiore a quello teorico, è proporzionale al rapporto di compressione effettivo volta per volta realizzato nei vari regimi di funzionamento; di conseguenza un sistema che garantisca il massimo rapporto di compressione al variare della potenza erogata manterrebbe costante il rendimento di tale motore anche ai bassi regimi, come durante il traffico cittadino.
L'utilizzo dell'idrogeno e delle celle a combustibile PEMFC funzionanti a temperatura moderata (~ 70°C) permette non solo un rendimento di conversione effettivo più elevato (40% che si riduce poi al 34% ÷ 36% se si tiene conto dell'energia spesa per la compressione dell'idrogeno nelle bombole per alta pressione) ma tale rendimento è costante in tutti i regimi di funzionamento e quindi mediamente più che doppio rispetto al motore a benzina.
Questo rende il bilancio energetico complessivo favorevole per l'idrogeno, anche se estratto dagli idrocarburi, in particolare dal metano, oppure anche dalla biomassa o dal carbone, mediante la "gassificazione" con vapore d'acqua ad alta temperatura.
Nelle auto con motore ibrido come la Prius della Toyota, la Lexus ed una nuova vettura dalla SAAB in fase di progettazione viene montato un motore a benzina con rapporto di compressione variabile (VCR variable compression ratio) in grado di variare il rapporto di compressione geometrico, in modo da garantire il massimo rapporto di compressione della miscela in tutti i regimi di funzionamento; in questo modo la curva del rendimento risulta molto più linearizzata; infine un motore elettrico con una potenza pari al 40% della potenza complessiva disponibile provvede a garantire lo stesso rendimento anche a velocità molto basse (da 0 a 25 Km/h) ed a fornire un surplus di potenza durante le accelerazioni.
Viene quindi ottenuta la stessa forma della curva del rendimento delle celle a combustibile, sia pure con rendimenti effettivi un pò inferiori.
Indice
Introduzione 2
Parte I – Il Sistema Energetico Attuale: Problemi e Alternative
1. Dipendenza 6
2. L’esaurirsi delle risorse 11
2.1 La curva di Hubbert 11
2.2 Aumento dei prezzi 19
3. Tensioni geopolitiche derivate dalla dipendenza 23
4. Ambiente e inquinamento 32
5. Le alternative al petrolio 39
5.1 Il gas naturale 43
5.2 Il carbone 45
5.3 L’energia eolica 47
5.4 L’energia solare 50
5.5 L’energia idrica 53
5.6 L’energia geotermica 55
5.7 L’energia da biomassa, biodiesel ed etanolo 58
5.8 L’energia delle maree e delle onde 60
5.9 L’energia nucleare 62
5.9.1 Il nucleare in Italia 69
5.9.2 Il nucleare nel Mondo….………………………….…………………….71
6. Come superare la mancanza di petrolio 75
7. Lo sviluppo sostenibile 81
Parte II – La Tecnologia dell’Idrogeno
Introduzione 84
8. Proprietà dell'idrogeno 86
9. Produzione sostenibile di idrogeno e delocalizzazione produttiva di energia 91
9.1 L'elettrolisi dell’acqua 95
9.2 Steam reforming del gas metano (SMR) 97
9.3 Ossidazione parziale non catalitica di idrocarburi (POX) 99
9.4 AutoThermal Reforming (ATR) 99
9.5 Gassificazione del carbone 100
9.6 Gassificazione e pirolisi della biomassa 102
9.7 Altri metodi produttivi 104
10. Accentramento produttivo o produzione distribuita: considerazioni 106
11. Lo stoccaggio dell’idrogeno: la conservazione dell’energia 110
12. La logistica dell’idrogeno 122
13. Le Applicazioni – Aumento rendimenti con le fuel cells 127
14. L’impatto ambientale dell’economia all’idrogeno 136
14.1 L’Impatto ambientale dell’idrogeno 137
14.1.1 Impatto delle fonti primarie di energia direttamente utilizzate per la produzione…………...………………………………………………………..138
14.1.2 Impatto fonti primarie utilizzate per la produzione di idrogeno 141
14.1.3 Opinioni critiche sull'impatto ambientale dell'idrogeno 146
14.2 Efficienza comparata 147
14.2.1 Efficienza comparata nella produzione di energia 149
14.2.2 Efficienza comparata per gli utilizzi di trasporto 151
14.3 Previsione del futuro impatto dell'idrogeno sull'ambiente 154
Parte III – L’Idrogeno e la Teoria Economica
15. Aspetti economici di una società "all’idrogeno" 158
16. La teoria economica dell’economia all’idrogeno 163
16.1 Aspetti rilevanti nella teoria economica per la transizione verso l’economia all’idrogeno – L’approccio neoclassico tradizionale 164
16.1.1 Alternative al pensiero neoclassico tradizionale 166
16.1.2 L’approccio neoclassico ai cambiamenti tecnologici 170
16.2 Teoria Evoluzionista e Schumpeteriana 172
16.3 L’approccio termodinamico e quello ecologico-ambientale 173
16.4 Ricerche economiche, letteratura contemporanea sull’economia all’idrogeno 174
16.4.1 L’idrogeno negli scenari energetici di lungo periodo 177
16.4.2 Curve di esperienza e potenziale riduzione di costi 181
16.4.3 Progetti di studio Europei sugli aspetti economici dell’idrogeno 183
Parte IV – L’Autobus ad Idrogeno della Città di Torino
Introduzione 187
17. Il progetto più in dettaglio 192
18. Gli aspetti normativi 194
19. Aspetti tecnici e considerazioni sul bus ad idrogeno 196
Conclusioni 200
Bibliografia 203
Per eventuali informazioni scrivere a: elmartinio@libero.it
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