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Verso un Futuro Energetico Sostenibile
Ulf Bossel
European Fuel Cell Forum
Morgenacherstrasse 2F
CH-5452 Oberrohrdorf / Switzerland
Tel.: +41-56-496-7292, Fax: - 4412
[email protected], www.efcf.com
Tradotto in italiano da Massimo Ippolito www.kitegen.eu dicembre 2006
l’originale inglese http://www.efcf.com/reports/E16.ppt
Presenting physics, not philosophy
Ulf Bossel – October 2005
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L'autore
Ulf Bossel
Dipl. Ing., ETH Zürich, Switzerland (1961)
Mechanical Engineering: Aerodynamics, Thermodynamics
Ph.D., University of California, Berkeley (1968)
Rarefied Gas Dynamics, Molecular Beams
Assistant Professor, Syracuse University (1968-1970)
Mechanical and Aerospace Engineering
Group Leader, DFVLR, Göttingen, Germany (1970-1986)
Free molecular flow studies (space aerodynamics)
Founder and Manager of SOLENTEC, a consulting firm for
renewable energy and energy conservation (1978)
Fuel Cell Project Manager, ABB Baden, Switzerland (1986-1990)
Manager of ABB’s fuel cell activities in Europe and US
Fuel Cell Consultant and Developer (1990-to date)
Siemens, Mitsubishi, Statoil, Eniricerche, EPRI, Novem
European Fuel Cell Forum (1994 to date)
International Fuel Cell Conferences
Lucerne FUEL CELL FORUM 2006 (July 3 – 7, 2006)
www.efcf.com
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Futuro
Energetico
Sostenibile
???
State entrando nella
Terra dell'Idrogeno
State lasciando la
Terra della Benzina
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La dimensione del problema energetico
( un esempio scioccante)
Aeroporto di Francoforte (2004)
520 aerei in partenza al giorno, di cui 50 Boeing 747
130 t di kerosene per 747 = 50 t di idrogeno liquido
Per 50 Boeing 747 al giorno:
(2,500 t LH2/gg, 36,000 m3 LH2/gg, servono 22,500 m3 acqua/gg)
Almeno 8 impianti nucleari da 1 GW dedicati
all'elettrolisi, liquefazione, trasporto e trasferimento di LH2!
Almeno 25 centrali nucleari più l'intero consumo di acqua
di Francoforte per rifornire i 520 aerei in partenza ogni giorno
Il problema energetico non può essere risolto
commutando dai combustibili fossili all’idrogeno
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“Creazione” di “Hydrogen Energy” (1)
1. Dall'acqua per elettrolisi
H2O => H2 + ½ O2
Equilibrio degli elementi
2 atomi di idrogeno = 2 atomi di idrogeno
1 atomo di ossigeno = 1 atomo di ossigeno
2. Dal gas naturale per reforming
CH4 + 2 H2O => 4 H2 + CO2
Equilibrio degli elementi
1 atomo di carbonio = 1 atomo di carbonio
8 atomi di idrogeno = 8 atomi di idrogeno
2 atomi di ossigeno = 2 atomi di ossigeno
Equazioni semplici, elementi simpatici: H, O e C
I sostenitori dell'Idrogeno saranno felici!
Anche i politici riescono a starci dietro
e promuovono programmi sull'idrogeno
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“Creazione” di “Hydrogen Energy” (2)
1. Dall'acqua per elettrolisi
H2O => H2 + ½ O2
Equilibrio delle masse
18 kg H2O
9 kg H2O
= 2 kg H2 + 16 kg O2
= 1 kg H2 + 8 kg O2
2. Dal gas naturale per reforming
CH4 + 2 H2O => 4 H2 + CO2
Equilibrio delle masse
16 kg CH4 + 36 kg H2O = 8 kg H2 + 44 kg CO2
2 kg CH4 + 4.5 kg H2O = 1 kg H2 + 5.5 kg CO2
1 kg di idrogeno sostituisce 4 Litri di benzina
La disponibilità di acqua pulita potrebbe limitare la produzione di idrogeno.
Maneggiare le masse può non essere banale. Sequestro del Carbonio???
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“Creazione” di “Hydrogen Energy” (3)
1. Dall'acqua per elettrolisi
H2O => H2 + ½ O2
Bilancio energetico
energia elettrica = energia in H2
286 kJ/mol = 286 kJ/mol
Nella realtà: 130% energia immessa = 100% energia in H2 + 30% perdite
2. Dal gas naturale per reforming
CH4 + 2 H2O => 4 H2 + CO2
Bilancio energetico
Energia del metano + calore = energia in H2
890 kJ/mol + 254 kJ/mol = (4 x 286 kJ/mol =) 1,144 kJ/mol
Nella realtà: 110% energia immessa = 100% energy in H2 + 10% di perdite
Aggiungere 100% per la distribuzione dell'idrogeno ai consumatori
Da dove viene l'energia necessaria per fare e distribuire l'idrogeno?
Dobbiamo risolvere il problema energetico, non un esercizio di chimica!
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aumento del consumo di energia primaria
più carbone, più energia nucleare
più CO2 e scorie radioattive
tempo perso
catastrofe globale
State entrando nella
Terra dell'Idrogeno
State lasciando la
Terra della Benzina
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Futuro
Energetico
Sostenibile
State entrando nella
Terra dell'Energia Fisica
State lasciando la
Terra dell'Energia Chimica
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Obiettivo Comune:
Un Futuro Energetico Sostenibile
Solo due condizioni devono essere soddisfatte
1.
La fonte, il trattamento e l'utilizzo dell'energia dev'essere
sostenibile
2.
L'energia dev'essere distribuita e utilizzata con la
massima efficienza
E' necessario riorganizzare l'intero sistema energetico
per un futuro energetico sostenibile
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Energia Sostenibile
Petrolio, gas naturale, carbone e nucleare non sono sostenibili!
Energia proveniente da fonti rinnovabili gestite in modo
sostenibile:
Energia solare fotovoltaica
elettricità DC
termica
elettricità AC, acqua calda, riscaldamento etc.
Energia eolica
elettricità AC
Energia idroelettrica
elettricità AC
Energia marina onde, maree
elettricità AC
Geotermico
calore
elettricità AC, acqua calda, riscaldamento etc.
Biomasse e
calore, combustibili organici
rifiuti organici heat
elettricità AC, acqua calda, riscaldamento etc.
La maggior parte dell'energia rinnovabile è "sequestrata"
per produrre elettricità
I vettori energetici come l'acqua, l'idrogeno, gli elettroni, etc,
obbediscono alle leggi di conservazione della specie
I vettori energetici non possono essere considerati „sostenibili“
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Disponibilità di Energia Solare
L'energia solare ricevuta dal rettangolo rosso
supera il consumo mondiale di energia
In aggiunta: vento, onde, geotermico, biomasse, rifiuti organici etc.
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La Sfida Energetica
Ad eccezione delle biomasse, la natura fornisce
• energia cinetica del vento, dell'acqua, delle onde
• radiazione solare
• calore da fonti geotermiche
energia fisica
Ad eccezione del cibo, la popolazione ha bisogno
• movimento
• comunicazione
• illuminazione
• riscaldamento e raffrendamento (ambienti e cucina)
• processi industriali
di energia fisica
La sfida è rappresentata dal
trasferimento diretto di energia fisica dalla fonte all'utilizzo
Ogniqualvolta sia possibile, bisogna evitare i passaggi
attraverso il confine tra energia chimica ed energia fisica
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Il Diagramma del Flusso dell'Energia
in Germania (1995)
giallo:
blu:
porpora:
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energia primaria
perdite energetiche
energia utile
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Passato Fossile e Futuro Sostenibile
Passato Energetico Fossile
Futuro Energetico Sostenibile
Elettricità da fonti rinnovabili
Elettricità da fonti rinnovabili
fisica
Elettrolisi (80%)
chimica
Idrogeno
sintetico
idrocarburi da
fonte fossile
idrocarburi da
biomasse
40%
of
HHV
chimica
fisica
DMFC, MCFC,
SOFC
macchine di Carnot
efficienza globale:
(35%)
(90%)
(50%)
?
Compressione
Liquefazione
Distribuzione
Immagazzinamento
Trasferimento
H2 fuel cells (50%)
(90%)
(25%)
I consumatori richiedono mobilità, suoni, luci, calore, comunicazione
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Energia da
Fonte
Rinnovabile
Il Trasporto dell'Elettricità
Consumatore
attraverso gli elettroni
100%
gaseous hydrogen
liquid hydrogen
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AC
DC
fuel cell
immagazzinato
trasferito
trasportato
confezionato
idrogeno gassoso
elettrolisi
attraverso l'idrogeno
elettricità DC
elettricità AC rinnovabile
90%
25%
20%
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Impianti per la Produzione di Energia Rinnovabile
e trasporto di energia per mezzo di elettroni o idrogeno
I 3/4 degli impianti
impiegati servono per
coprire le perdite!
Inoltre:
L'idrogeno richiede
nuove infrastrutture
400%
idrogeno
La richiesta di energia elettrica
rinnovabile è considerevolmente
maggiore
elettroni
110%
Elettricità AC rinnovabile
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100%
Potenza AC
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Il Costo dell'Energia per il Consumatore
Premessa: come accade oggi, le perdite energetiche saranno a carico del consumatore
Quindi, secondo le leggi della natura:
• L'energia portata dall'idrogeno costerà almeno il doppio dell'energia portata dagli
elettroni
• L'elettricità derivata dall'idrogeno attraverso le fuel cells costerà almeno quattro volte
quella della rete
Il consumatore sceglierà la soluzione più conveniente:
Riscaldamento elettrico o pompe di calore piuttosto che l'idrogeno per riscaldamento
Auto elettriche per i piccoli spostamenti, altro che veicoli a fuel cells di idrogeno
Fino all'ultima goccia di petrolio e di combustibili liquidi da biomasse sarà usata per le
lunghe distanze, per i camion e per gli aerei
L'idrogeno è in competizione
con la sua stessa fonte di energia.
Quindi, sarà sempre un combustibile costoso
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Opzioni Energetiche per un Boeing 747
Kerosene
5% di trasporto e
trattamento dell'energia
6.3 TJ
off refinery
?
H2 per reforming GN
+ 225 m3
di acqua pulita
6.9 TJ (100 tons GN)
Reformer
(15% perdite)
+ 2.4 TJ (elettricità)
275 tons CO2
6 TJ
Kerosene
130 tons
160 m3
H2 Liquido
50 tons
715 m3
= 9.3 TJ totali
40% dell'energia
per liquefazione,
trasporto e trattamento
H2 per elettrolisi
6 TJ
H2 Liquido
50 tons
715 m3
2.4 TJ (elettricità)
+ 7.5 TJ (elettricità)
Elettrolisi
(25% perdite)
= 9.9 TJ totali
Results for „green“ electricity
Factor 2 higher for power mix
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?
+ 450 m3
di acqua pulita
H2 Liquido
50 tons
715 m3
Il trasporto pesante
a lunga gittata per terra,
aria e mare
sarà alimentato
dall'ultima goccia
di petrolio o
dai biocombustibili
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Opzioni Energetiche: Diesel vs. H2-Fuel Cell
Diesel
5% di energia
per trasporto e
maneggiamento
84 MJ/100 km
off refinery
?
H2 per reforming GN
+ 1.8 kg/100 km
di acqua pulita
Reformer
(15% perdite)
58 MJ/100 km (gas naturale)
Diesel
25% efficienza:
80 MJ/100 km
(2.5 L/100 km)
0.4 kg/100 km
H2 Liquido
+ 25 MJ/100 km (elettricità)
20 MJ/100 km
= 83 MJ/100 km totali
50% dell'energia
per liquefazione,
trasporto e
maneggiamento
H2 per elettrolisi
25 MJ/100 km (elettricità)
+ 63 MJ/100 km (elettricità)
Elettrolisi
(25% perdite)
= 88 MJ/100 km totali
Results for „green“ electricity
Factor 2 higher for power mix
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?
0.4 kg/100 km
H2 Liquido
H2-Fuel Cell
40% efficienza
50 MJ/100 km
(0.4 kg LH2/100 km)
Nessuna differenza
significativa tra un
moderno Diesel
e un auto a
fuel cells di idrogeno
+ 3.6 kg/100 km
di acqua pulita
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Opzioni Energetiche: Diesel vs. Elettricità
Diesel
5% dell'energia
per il trasporto
84 MJ/100 km
off refinery
Elettricità per
le batterie
12% dell'energia
per trasmissione e
conversione AC/DC
30 MJ/100 km (elettricità)
Diesel
25% efficienza
80 MJ/100 km
(2.5 L/100 km)
Elettrico a batteria
80% efficienza
25 MJ/100 km
20 MJ/100 km
Elettricità per H2
per elettrolisi
25 MJ/100 km (elettricità)
50% dell'energia
per liquefazione,
trasporto e
maneggiamento
H2-Fuel Cell
40% efficienza
50 MJ/100 km
(0.4 kg LH2/100 km)
0.4 kg/100 km
H2 Liquido
L'auto elettrica
è di gran lunga
più efficiente
dell'auto diesel
o a H2 fuel cells
+ 63 MJ/100 km (elettricità)
Elettrolisi
(25% perdite)
= 88 MJ/100 km totali
Results for „green“ electricity
Factor 2 higher for power mix
Ulf Bossel – October 2005
?
+ 3.6 kg/100 km
di acqua pultia
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Opzioni Energetiche Sostenibili per l'Automobile
In un futuro sostenibile l'elettricità sarà la fonte energetica principale.
L'auto elettrica sarà preferita a quella a fuel cells di idrogeno
Elettricità per
le batterie
12% dell'energia
per trasmissione e
conversione AC/DC
30 MJ/100 km (elettricità)
Elettrico a Batteria
80% efficienza
25 MJ/100 km
20 MJ/100 km
Elettricità per
H2 per elettrolisi
50% dell'energia
per liquefazione,
trasporto e
maneggiamento
25 MJ/100 km (elettricità)
H2-Fuel Cell
40% efficienza
50 MJ/100 km
(0.4 kg LH2/100 km)
+ 63 MJ/100 km (elettricità)
Elettrolisi
(25% perdite)
= 88 MJ/100 km totali
Results for „green“ electricity
Factor 2 higher for power mix
Ulf Bossel – October 2005
?
+ 3.6 kg/100 km
di acqua pultia
0.4 kg/100 km
H2 Liquido
Dopo l'esaurimento
del petrolio
l'auo elettrica
prevale sull'auto
a fuel cells di
idrogeno
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Trasporto
Stato delle auto elettriche con batterie Li-ion (Cina):
Percorrenza: 350 km con una carica.
Le batterie si ricaricano in minuti. Durata: 10 anni.
Costi di utilizzo molto inferiori all'auto con motore a CI,
molto inferiori all'auto a fuel cells di idrogeno
Altre opzioni per piccoli spestamenti usando energia fisica:
Aria compressa, Azoto liquido
L'auto elettrica fa un uso dell'elettricità
molto migliore rispetto all'auto a fuel cells di idrogeno
La tecnologia per l'auto a fuel cells di idrogeno esiste e può evolversi,
ma l'infrastruttura per l'idrogeno non potrà mai essere realizzata:
Chi vuole comprare idrogeno? L'elettricità costa molto meno!
Chi vuole investire nelle infrastrutture per l'idrogeno? Business troppo incerto!
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Eolico per il Trasporto
Wind-to-Wheel Energy Assessment
(valutazione energia dal vento alla ruota)
by Patrick Mazza and Roel Hammerschlag
(Lucerne Fuel Cell Forum 2005, corrected)
H2 in hybrid IC-EV
22
H2 in FCV
42
compressed air
vehicle
46
NiMH EV
127
Li-ion EV
133
0
50
100
150
km traveled on 100 MJ at generator terminals
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L'auto elettrica sta arrivando
Mitsubishi Lancer Evolution MIEV:
Lunghezza
Larghezza
Peso
N° Posti
Potenza max
Velocità max
Auton./carica
Lithium-ion
N° di batterie
Max. energia immagazz.
Benzina Equivalente
Risparmio di carburante
4490 mm
1770 mm
1590 kg
5
4 x 50 = 200 kW
180 km/h
250 km
90Ah at 14.8 V
24
32 kWh
3 Liters
1.2 L/100 km
Source: Mitsubishi Corporate Press Release of August 24, 2005
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La Tendenza verso l'Elettricità
Guidata dall'esaurimento delle risorse e dal
surriscaldamento globale:
-
Crescita del prezzo dell'energia
Stazionaria:
Migliore isolamento termico e dispositivi HV/AC più
efficienti
Sostituzione di gas
naturale e petrolio per riscaldamento con
l'elettricità
Mobile:
Maggiore efficienza dei motori a CI
HVeicoli elttrici ibridi e utilitarie
elettriche
Sostituzione dei combustibili fossili con idrocarburi sintetici ed
elettricità
Maggiore efficienza del sistema di distribuzione
dell'energia
Più elettrcità
diretta, meno passi di conversione, riuso degli sprechi
-
Più elettricità da fonti rinnovabili
alla crescita del
petrolio
-
Costo costante dell'energia rinnovabile rispetto
prezzo di gas e
Il passaggio all'elettricità è già cominciato.
Cambiamenti nel comportamento dei consumatori
L'idrogeno
non può competere con gli elettroni
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La necessità di immagazzinare
energia elettrica
L'economia dell'immagazzinamento dipende dalla vita utile,
dall'efficienza del ciclo, dai costi iniziali e operativi, etc.
Cicli di servizio
Hydrogen
1,000?
Accumulatori al piombo
1,000?
Aria compressa
>100,000
Acqua
>100,000
Batterie Sodio-Zolfo
2,000?
Flywheels
>100,000
"batterie"Li ion
>100,000
Supercondensatori
>100,000
Efficienza
45%
70%
75%
75%
80%
85%
90%
95%
Immagazzinare energia fisica offre più soluzioni
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La necessità di immagazzinare
l'energia
Oggi:
Immagazzinamento a doppio senso in pochi grandi punti
localizzati presso le centrali:
Centrale
Utente
Storage
Futuro sostenibile:
In aggiunta all'esistente, immagazzinamento a senso unico in molte piccole
unità connesse alle singole apparecchiature
El. rinnovabile
El. rinnovabile
Storage
El. rinnovabile
In un futuro energetico sostenibile
lo storage a senso unico diffuso
affiancherà i sistemi centralizzati
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serve gestire l’accumulo dell'energia
Le unità distribuite di accumulo connesse in rete
Sono caricate dalla rete
all'80% ogni qualvolta sia richiesta la ricarica
al 100% quando c'è potenza disponibile in eccesso
quando il surplus di potenza è poco costoso, etc.
Le auto elettriche ferme sono connesse in rete
Le condizioni di carica sono le medesime
Servono piattaforme di carica nei garage e nei parcheggi.
L'elettricità ricevuta è misurata a bordo da segnali HF
e addebitata al proprietario mensilmente
Le unità distribuite di accumulo a senso unico
possono essere gestite dalla rete anziché dagli utenti
Ulf Bossel – October 2005
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servono nuovi collegamenti
wind-wind
hydro-solar
waves-solar
wind-solar
biomass-wind
time difference
etc.
Aree autonome interconnesse da
linee DC ad alta tensione
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Non è un problema di Denaro
La "seconda guerra per il Petrolio" è già costata ai contribuenti 300 miliardi di $
Quanta energia dal vento si sarebbe ottenuta
con questa somma?
Premessa:
$1M/MWpeak or $3M per MWaverage per aerogeneratori avanzati
$2M/MW da investitori privati
$1 M/MW dai governi
Il supporto di 1 Milione di $ possono dare il via a di investimenti in 1 MW di
potenza eolica continua
300 miliardi di $ possono portare ad una capacità di generazione eolica
continua di 300 GW
Si sarebbe catturata energia eolica sufficiente per alimentare
260 milioni di utilitarie elettriche per 36000 km all'anno ciascuna
Per Sempre!
Serve il 0.65% del territorio USA, ma agricoltura e
pastorizia possono sussistere sotto i generatori
Ulf Bossel – October 2005
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Conclusioni
Un futuro energetico sostenibile è possibile se basato su
energia proveniente da fonti rinnovabili e su alta efficienza!
La base energetica deve trasformarsi da chimica a fisica
La fisica è eterna e non può essere cambiata dai governi. Qundi dalle leggi della fisica:
L’idrogeno non potrà mai competere
con la propria fonte di energia.
Una “Economia dell’idrogeno” non ha presente, passato, futuro
Prepariamoci ad una “Economia degli elettroni”
Abbiamo bisogno di:
• Strategie energetiche basate sulla fisica, non fantasie
• Investmenti in tecnologie sostenibili e non ricerca di
base sull’energia
• Una vera leadership politica
Ulf Bossel – October 2005
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