Idrogeno verde per un campus sostenibile

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INDICE 
 
INTRODUZIONE ............................................................................................................................7 
1 IL PROBLEMA ENERGETICO .....................................................................................................12 
 Aspetti storici, economici ed ambientali del problema ..............................................12 
 Fonti fossili ed impatto ecologico ...............................................................................15 
 Fonti energetiche rinnovabili .....................................................................................19 
 Non programmabilità e sistemi di accumulo ..............................................................26 
 Obbiettivi e previsioni per il futuro ............................................................................32 
2 L’IDROGENO ........................................................................................................................36 
2.1 Caratteristiche chimico-fisiche dell’idrogeno .............................................................36 
2.2 Cenni storici ed utilizzi ................................................................................................38 
2.3 Il ruolo dell’idrogeno come vettore energetico ..........................................................40 
2.4 La piccola molecola che può salvare il mondo ...........................................................44 
2.5 Vantaggi nell’uso dell’idrogeno ..................................................................................49 
3 LA PRODUZIONE DI IDROGENO ...........................................................................................51 
3.1 Tecniche di produzione tradizionali .................................................................................52 
3.1.1 Steam reforming del metano (SMR) ...................................................................................... 52 
3.1.2 Ossidazione parziale di idrocarburi ........................................................................................ 54 
3.1.3 Gassificazione del carbone .................................................................................................... 54 
3.1.4 Produzione da gas residui e composti intermedi..................................................................... 56 
 
3.2 Tecniche di produzione alternative ..................................................................................57 
3.2.1 Elettrolisi dell’acqua ............................................................................................................. 57 
3.2.2 Gassificazione e pirolisi delle biomasse ................................................................................. 61 
3.2.3 Idrogeno da luce e calore ....................................................................................................... 62 
 
3.3 Altre tecnologie innovative ..............................................................................................64 
3.4 Il problema della purificazione .........................................................................................65 
3.5 Confronto tra i sistemi produttivi .....................................................................................67 
4 STOCCAGGIO, TRASPORTO E DISTRIBUZIONE .........................................................................70 
4.1 Tecniche per l’accumulo di idrogeno ...............................................................................71 
4.1.1 Idrogeno gassoso compresso ................................................................................................. 72 
4.1.2 Idrogeno liquido (Liquid hydrogen, LH 2) .............................................................................. 73 
4.1.3 Idrogeno crio-compresso ....................................................................................................... 74 
4.1.4 Materiali adsorbenti .............................................................................................................. 75 
4.1.5 Idruri metallici ...................................................................................................................... 76 
4.1.6 Idruri chimici ........................................................................................................................ 79 
4.1.7 Vettori di idrogeno liquido organico (LOHC) ........................................................................ 81 
 
4.2 Scelta dei sistemi di stoccaggio ........................................................................................81

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4.3 Tecniche per il trasporto e la distribuzione dell’idrogeno ................................................87 
4.3.1 Bombole di gas compresso .................................................................................................... 88 
4.3.2 Cisterne di LH 2 ..................................................................................................................... 89 
4.3.3 Condutture per il gas ............................................................................................................. 91 
 
4.4 Stazioni di rifornimento ....................................................................................................94 
5 LE CELLE A COMBUSTIBILE ......................................................................................................98 
5.1 Generalità sulle fuel cell ...................................................................................................98 
5.2 Composizione e funzionamento .....................................................................................100 
5.3 Tipologie di celle a combustibile ....................................................................................103 
5.3.1 Fuel cell alcaline (AFC) .......................................................................................................104 
5.3.2 Fuel cell a membrana elettrolitica polimerica (PEMFC) .......................................................104 
5.3.3 Fuel cell a metanolo diretto (DMFC) ....................................................................................105 
5.3.4 Fuel cell a ossido solido (SOFC) ..........................................................................................106 
5.3.5 Fuel cell ad acido fosforico (PAFC) .....................................................................................106 
5.3.6 Fuel cell a carbonato fuso (MCFC) .......................................................................................107 
 
5.4 Vantaggi e limitazioni nell’uso delle FC ..........................................................................108 
5.5 Stato attuale e sviluppi futuri .........................................................................................115 
6 COSTI E INVESTIMENTI ......................................................................................................119 
 Prezzi attuali e obbiettivi per il futuro ......................................................................119 
 Costi di produzione ..................................................................................................122 
 Costi di stoccaggio, trasporto e distribuzione...........................................................127 
 Costi per i settori di utilizzo ......................................................................................133 
 Posti d’impiego .........................................................................................................135 
7 APPLICAZIONI E PROGETTI PILOTA ....................................................................................137 
 Applicazioni industriali .............................................................................................137 
 Applicazioni energetiche stazionarie ........................................................................139 
7.2.1 Turbine a gas ........................................................................................................................139 
7.2.2 Fuel cell ...............................................................................................................................140 
7.2.3 Riscaldamento e cogenerazione ............................................................................................142 
 
 Settore dei trasporti .................................................................................................143 
7.3.1 Combustione diretta .............................................................................................................144 
7.3.2 Fuel cell e APU ....................................................................................................................145 
7.3.3 Light Fuel Cell Electric Vehicles (LFCEV) ..........................................................................146 
7.3.4 Altri mezzi stradali a FC.......................................................................................................150 
7.3.5 Treni, navi e aerei .................................................................................................................152 
 
 Applicazioni portatili ................................................................................................154 
 Progetti pilota ..........................................................................................................155 
7.5.1 INGRID ...............................................................................................................................155 
7.5.2 Toyota Mirai ........................................................................................................................157 
7.5.3 Energy Observer ..................................................................................................................158 
 
8 SISTEMA DI ACCUMULO A IDROGENO PER IL CAMPUS DI SALERNO.....................................160 
8.1 Campus sostenibili .........................................................................................................160

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8.2 Il campus di Fisciano.......................................................................................................162 
8.3 Analisi dei dati ................................................................................................................164 
8.4 Modellazione dell’impianto............................................................................................168 
8.5 Ipotesi esemplificative ...................................................................................................171 
8.6 Scelta e prestazioni dei componenti ..............................................................................171 
8.7 Funzionamento e risultati del modello ...........................................................................175 
8.8 Analisi costi - benefici .....................................................................................................178 
CONCLUSIONI ...........................................................................................................................184 
BIBLIOGRAFIA ...........................................................................................................................186 
RINGRAZIAMENTI .....................................................................................................................195