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Impianti AIP a celle a combustibile |
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Scritto da Aaken
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Pagina 2 di 2 Per fare un esempio, se si assume che per propellere un battello 212 alla velocita' di 5-6 nodi sia necessaria una potenza di 150 KW, per una settimana di operazioni saranno necessari circa 25200 KWh ovverocirca 1300 kg di idrogeno. Questo equivale a circa 18.6m3 ossia una bombola di 8 metri di lunghezza con undiametro di 1.72 metri. La soluzione adottata e' lo stivaggio dell'idrogeno sotto forma di metal idruri. Un idruro metallico e' uncomposto che alloggia atomi d'idrogeno nella propria struttura reticolare. Esso rilascia idrogeno se si riscalda il composto ad una certa temperatura. Gli idruri correntemente usati in applicazioni commerciali sono composti come l'HyStor 101 e successivi, che sono composti Titanio Ferro, Titanio Ferro Manganese o Calcio Nickel. Essi possono assorbire e rilasciare quantita' di idrogeno pari a 1.9% circa del proprio peso, a temperature prossime a quella ambiente o comunque a temperature nel campo di funzionamento delle celle PEM tradizionali. Il composto FeTiH1.7, per esempio, consente di ottenere una densita' di idrogeno pari a 110 kg/m3 di idruro, con un peso specifico dell'idruro di circa 5700 kg/m3. Questo significa che nell'esempio precedente saranno sufficienti 11.8 m3 ovvero 4 bombole di 8 metri di lunghezza con un diametro di circa 68 centimetri. Questo puo' essere ragionevolmente compatto ma il peso inizia a diventare importante. Nel nostro caso il solo idruro dovrebbe pesare circa 67 tonnellate. Idruri piu' avanzati consentono di stivare percentuali piu' significative di idrogeno. Ad esempio gli idruri della famiglia NaAlH4 teoricamente consentono di immagazzinare una massa di idrogeno pari al 7.5% del proprio peso, ovvero quasi 4 volte la massa immagazzinata da un idruro semplice. Purtroppo pero' tali idruri piu' avanzati hanno altre problematiche. Principalmente la temperatura alla quale il composto inizia a rilasciare idrogeno inizia ad essere significativa. Nel caso dell'NaAlH4 la temperatura di rilascio e' di 180-220 gradi, cioe' fuori dalle temperature normali di funzionamento di una cella PEM tradizionale (70-90 gradi). Inoltre l'NaAlH4 ha una densita' piuttosto bassa (circa 1250 kg/m3) per cui il sistema perderebbe parte della sua compattezza in favore di un peso d'impianto molto minore. Nel nostro esempio precedente il peso scenderebbe a circa 18 tonnellate ma il volume salirebbe a 16.25 m3.Inoltre si dovrebbe usare una cella PEM avanzata ad acido fosforico, con una temperatura di funzionamento attorno ai 200 gradi, in modo da usare l'acqua al alta temperatura prodotta dalla cella per riscaldare la matrice di idruro nelle bombole di stoccaggio.
L'unica alternativa fattibile attualmente e' lo stivaggio dell'idrogeno sotto forma di idrocarburi o metanolo. Gli idrocarburi piu' o meno pesanti (metano, benzine, nafte) contengono percentuali piu' o meno significative di idrogeno (il metano contiene il 25% in peso di idrogeno). Anche gli alcoli come il metanolo e l'etanolo contengono significative percentuali in peso di idrogeno. Inoltre buona parte di tali prodotti sono liquidi, che si traduce in relativa facilita' di stivaggio a bordo. Vi sono attualmentedue possibilita' circa l'impiego di metanolo o idrocarburi nelle celle a combustibile. La prima possibilita' consiste nel reforming del metanolo o l'idrocarburo. Il reforming e' un processo chimico attraverso il quale si fornisce calore (e ossigeno) all'idrocarburo, ad una certa temperatura ed in presenza di particolari catalizzatori. L'idrocarburo (o il metanolo) si dissocera' in CO2, CO e H2. L'idrogeno cosi' ottenuto puo' essere usato in una normale cella PEM o di altro tipo. Questa prima opzione richiede l'installazione a bordo di un reformer, costituito da un bruciatore che brucia parte dell'idrocarburo, mentre i gas caldi vengono inviati in un reattore chimico dove l'idrocarburo, opportunamente miscelato ai gas caldi, reagira' sulle piastre catalitiche e si dissociera' cedendo idrogeno. Questo approccio determina un aumento dei consumi di ossigeno (perche' partedell'ossigeno sara' usato per bruciare l'idrocarburo). Inoltre e' necessario depurare i gas prodotti dal reformer per eliminare il CO presente e che non e' tollerato dai catalizzatori catodici delle celle. Il gas in ogni caso deve poi essere scaricato fuori bordo per cui e' necessario avere una pompa o un compressore all'uopo. La seconda possibilita' consiste nell'utilizzare delle speciali celle a combustibile che usano direttamente il metanolo e non necessitano di reformer. Queste celle (DMFC - Direct Methanol Fuel Cell) funzionano a temperature attorno ai 100 gradi centigradi ma hanno un rendimento relativamente modesto (30% circa contro il 50% circa di una cella PEM). Inoltre rimane il problema dei gas di scarico, prodotti dalla cella, che devono essere solubilizzati in acqua ed espulsi fuori bordo. Per motivi di silenziosita' (la pompa che espelle l'acqua nella quale sono stati solubilizzati i gas di scarico di una cella DMFC comporta rumorosita', dispendio di energia per farla funzionare e limita la massima quota operativa), appare incerto se le celle DMFC o i reformer avranno un posto nello sviluppo di impianti AIP per sommergibili. In ogni caso l'unico modo per incrementare significativamente l'autonomia subacqua di un battello con impianto AIP a celle a combustibile e' sviluppare nuove tecniche o materiali innovativi per lo stoccaggio dell'idrogeno.
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