L'idrogeno, l'energia elettrica, le energie rinnovabili.....

[Guest frallog]

Forse e' il caso di dedicare qualche momento a riflettere tutti assieme su come stanno le cose sul mondo dei veicoli ad energia alternativa. Lo faremo passando per le origini del problema e cioe' quantificando le energie.

Poiche' questo discorso vuole essere per tutti inizio con il chiarire alcuni parametri fondamentali, quali quelli dei suffissi.

1 Kilo (1K) = 1000 = mille = 10^3

1 Mega (1M) = 1 000 000 = un milione = 10^6

1 Giga (1G) = 1 000 000 000 = 1 miliardo = 10^9

Misure di Potenza(Lavoro/tempo):

w = watt = potenza = 1 Joule/sec

1 Kw = 1 Kilowatt = 1000 watt

1 Mw = 1 Megawatt = 1.000.000 watt

Misure di Lavoro (Potenza per tempo)

1wh=WattHour = Lavoro di un watt in un ora (3600 secondi) = 3600 Joule

1Kwh = 1 KiloWattHour = Lavoro di mille watt in un ora (3600 secondi)=

= 1000*3600 Joule = 3.600.000 Joule

E andiamo a incominciare.

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a) Premessa. Alcuni numeri di base.

L'impianto di un utenza familiare ha un contratto con l'ENEL per una potenza massima pari a 3Kw (3000watt). Un autoveicolo di media potenza oggi ha un motore termico della potenza media di 60Kw (60000 watt). Considerando che, se tutto va bene, il motore termico ha un'efficienza pari al 25% si ricava una potenza effettiva assorbita dal motore termico pari a in termini di potenza del combustibile ummesso nel motore: 240Kw (240000 watt).

Potenza di rete elettrica.

Ormai siamo esperti dei Kw, passiamo ai Mw (Mega-watt, milioni di watt). Il picco di potenza assorbito dall'utenza di rete elettrica si aggira intorno ai 55000 Mw (cioe 55mila milioni di watt = 5.5*10^10w). Questo e' anche quello che la rete elettrica puo' piu' o meno sopportare.

c) Potenza di energia chimica per autotrazione.

Il conto e' presto fatto. In Italia circolano piu' o meno 20 milioni di veicoli con una potenza media alla ruota di 60Kw ma con una potenza media assorbita di 240Kw. Il conto del totale e' presto fatto: 240Kw*20*10^6=4.8*10^12 w = 4800 Gigawatt = 4800 miliardi di watt.

***Conclusione 1): Che rapporto c'e' tra la potenza del mondo di rete elettrica e quella del mondo delle auto? La risposta e' pressocche' immediata: il mondo delle auto ha una potenza installata pari a circa 90 volte quella della potenza di picco assorbita dal mondo dell'energia di rete. Cioe':

Potenza chimica per autotrazione / Potenza elettrica di rete = 90

Questo significa molto semplicemente che se tutti inserissero la spina per caricare la loro nuova e bella auto elettrica, molto semplicemente l'intera rete collasserebbe in un attimo.

c.1) Potenza di energia elettrica per autotrazione.

Su questo punto qualcuno mi ha fatto notare che se movimentassimo i veicoli con motori elettrici otterremmo un rendimento del 90% (I motori elettrici hanno altissimo rendimento. I problemi in questo caso sono tre:

1) L'energia elettrica deve essere trasportata in rete. La rete elettrica un certo grado di dispersione (cosa che per l'energia chimica non c'e', in quanto il potenziale chimico e' legato direttamente al materiale). La dispersione e' tale che ogni tot km ci sono delle centrali di compensazione delle perdite di enerfia. Calcoliamo, tanto per essere ottimisti questa dispersione nell'ordine del 30% (In realta' nella sezione a basso voltaggio la perdita e' ben piu' alta, ma siamo benevoli)

2) Le batterie elettriche, ottimisticamente, riescono ad immagazzinare a fine di uso un potenziale di carica che e' dell'ordine del 50% rispetto alla carica elettrica consumata. Questo rapporto peggiora ancora in condizioni di freddo-umido. Cioe' c'e' un elevato fattore di dispersione sia in carica che in isolamento.

3) La durata di una carica per una siffatta batteria e' dell'ordine di diverse ore contro i pochi secondi necessari al travaso dell'energia chimica

I punti (2) e (3) si possono riassumere come scarsa qualita' dello stoccaggio dell'energia del tipo elettrico.

I punti 1) e 2) ci portano dritti dritti verso un rendimento globale del 15% per l'energia di tipo elettrico, ancora meno che per i motori termici.

Naturalmente qualcuno puo' dire e' sbagliato paragonare direttamente le potenze in quanto la vettura funziona piu' o meno tre ore al giorno. L'energia consumata non e' dunque 240Kw per un giorno ma 240Kw per tre ore. Bene allora consideriamo non la potenza ma l'energia assorbita in 3/24=1/8. Allora il rapporto tra i bilanci energetici e':

Potenza Chimica = 240000w*(3600*3)*20*10^6=5.184*10^16 Joule

Mentre quello della rete elettrica e':

Potenza Elettrica 5.5*(3600*24)*10^10=4.752*10^15 Joule

Il rapporto e':

Energia chimica par autotrazione / Energia elettrica di rete = 11

Cioe' piu' o meno, considerando anche che e' necessario dimensionarsi anche tenendo presenti i rapporti di potenza ub eccedenza si puo' ragionevolmente porre:

Energia chimica per autotrazione / Energia elettrica di rete = 20

*** Conclusione 2) Questo significa che anche distribuendo l'energia elettrica assorbita lungo l'arco della giornata, se tutti ancora una volta inserissero la spina per caricare la loro nuova e bella auto elettrica da tenere accesa solo tre ore al giorno, molto semplicemente ancora una volta l'intera rete collasserebbe in un attimo.

***Conclusione 3) Le auto elettriche di massa sono un mero sogno.

d) Le fonti rinnovabili

Ci si riempe spessissimo la bocca con la terminologia di "fonti rinnovabili", tanto per essere bene aderente alla moda del momento. Ma quali sono queste fonti rinnovabili? "Guaglio'" so tre: L'idroelettrica, la solare e l'eolica. Altre non ce ne sono. E se qualcuno vi viene a parlare anche della biomasse, del bio diesel, del bio metano e compagnia cantando fate semplicemente questo ragionamento: Le piante da dove prendono l'energia che poi restituiscono semplicemente nel motore? La risposta e' semplice: Dal sole. Dunque i bio-attrezzi sono solo un modo molto piu' complicato e meno efficiente di trattare l'energia solare. Perche' state bene attenti che nessuno ve lo dice di quanti migliaia di km quadrati di bio-cosi dovete coltivare intensivamente per ottenere una quantita' sufficiente a muovere diciamo il 10% delle auto italiane. E' qui l'inghippo, che nessuno vi menziona mai.

***Conclusione 4) Le tecniche biologiche per produrre carburante non servono a nulla.

Qualcuno puo' allora parlare dell'idrogeno. Ma il punto e' che l'idrogeno in stato dissociato in natura e' scarsissimo. Dunque l'idrogeno non e' una fonte di energia, in quanto l'idrogeno bisogna produrlo a mezzo diuna fonte d' energia. L'idrogeno e' dunque solo un vettore di trasferimento dell'energia.

***Conclusione 5) Le energie rinnovabili rimangono solo tre: L'idroelettrico, l'eolico ed il solare. Altre non ce ne sono.

L'idroelettrico.

Il discorso e' semplice l'idroelettrico e' una delle fonti piu' a buon mercato. Peccato pero' che normalmente abbia degli impatti ambientali impressionanti (basti pensare alle dighe che hanno fatto prima in Brasile e poi in Cina, dove hanno sconvolto molte centinaia di chilometri quadrati di territorio). Inoltre nei paesi occidentali l'idroelettrico e' stato sfruttato gia' al massimo delle sue possibilita'.

***Conclusione 6) L'idroelettrico e' gia' al limite, inquina in termini di impatto ambientale e certamente non riesce a sopperire una richiesta energetica pari a quella del mondo dell'automobile.

L'eolico.

E' un'energia pulita, ma ad alto impatto ambientale. Inoltre la localizzazione della stessa che tipicamente e' concentrata solo in alcuni punti non ne permette un utilizzo su vasta scala. Infine e' un'energia molto "diluita" cioe' a bassa densita'. Questo significa che difficilmente si riescono a produrre impianti di una benche' minima potenza significativa. L'ordine di grandezza della potenza di un costoso impianto eolico e' pari a circa 2000Kw-30000Kw. Infine e' un'energia molto mutevole nel tempo (le condizioni di ventilazione mutano), un'energia le cui enormi fluttuazioni la rendono praticamente inutilizzabile su larga scala.

***Conclusione 7) L'eolico da' pochissima potenza in relazione all'impatto ambientale ed al costo, ed infine non riesce a sopperire neanche alle carenze energetiche di una rete come quella elettrica. E' dunque inapplicabile per il mondo dell'automobile.

Il fotovoltaico e l'energia solare

Eccoci errivati ad un capitolo importante. Inizieremo ragionando con l'energia di rete per poi passare ai paragoni con quella del mondo dell'auto. Ma iniziamo dall'inizio dell'inizio: L'energia che ci investe. L'energia solare ha una densita' di 2 cal/cm^2*min a 70000 metri. A causa dell'assorbimento di energia dello strato atmosferico, tale energia si riduce a 1.40 cal/cm^2*min a livello del mare. (Questo naturalmente per una superficie che risulti in esposizione perpendicolare alla direzione di irraggiamento). Ora il calore e' uguale al lavoro e precisamente: 1cal=4,1868 Joule. Dunque:

1.4cal/cm^2*min=1.4*4.1868 J/cm^2*min=5.86152 J / (mt^2/10000) * 60s=

= 5.86152 * 10^4 J / mt^2 * 60s = 977 J/s mt^2 = (J/s=watt) = 977 w/m^2

dunque:

Densita' di potenza irragiata dal sole = 977 w/m^2

(Se volete 2 cal/cm^2*min a 80000 metri 1.4 cal/cm^2*min a livello del mare. Fatevi voi i conti e vedete che a livello del mare viene 977w/m^2).

Faccio notare subito una cosa. 977 w/mt^2 sono meno di 1000w/mt^2 cioe' meno di 1Kw/mt^2. Dunque se avessimo delle celle fotovoltaiche con un rendimento del 100% l'ointera superficie della vettura ricperta da tali celle restituirebbe un'energia pari a 5-7 metri quadri * 1Kw = 5kw-7Kw. Questa potenza e' pari ad un decimo dei 60Kw necessari a buovere un'auto odierna (ma in realta' a causa del rendimento delle celle fotovoltaiche assai inferiore al 100% le cose stanno assai peggio).

Dunque:

***Conclusione 8) Le vetture elimentate ad energia solare sono una pia illusione.

Come si vede la densita' di energia fornita dal sole e' interessante, ma si intuisce subito che essa e' difficilmente paragonabile all'enorme energia necessaria per il mondo dell'auto. Andiamo pero' per gradi ed iniziamo ad occuparci del mondo dell'energia di rete. Innanzitutto sfatiamo subito un mito: le celle fotovoltaiche hanni un rendimento che varia dal 15% al 20%. E costano pure molto. Dunque con delle celle fotovoltaiche potremmo ottenere in una buona giornata d'insolazione con il sole a perpendicolo (d'estate, entro i tropici!) 150w/mt^2 - 200w/mt^2. Attestiamoci su questo valore, tanto per fissare le idee.

Allora di quanti chilometri quadrati necessito diciamo per produrre ***la meta'*** dell'energia di rete con metodi fotovoltaici? Il conto e' semplice, e presto fatto:

n° mt^2 = 25000 Mw / 200 w/mt^2 = 25000000000w/200(w/mt^2) =

= 1.25*10^8 mt^2 = 125 Km^2.

Cioe' ho bisogno di un quadrato di lato pari a 11.2 km oppure una circonferenza di diametro pari a 7.1 Km. Questa, per quanto sia un'opera titanica si potrebbe ragionevolmente affrontare, pur con tutti i se ed i ma del caso.

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Se e ma:

---1) In Italia si dovrebbe realizzare in Sicilia perche' e' la regione meglio esposta al sole (a Milano i 977w/mt^2 divebtano mediamente 660w/mt^2 ad esempio)

---2) per ridurre i costi servono dei concentratori ottici e solo una piccola base di celle solari

--- 3) si puo' realizzare tutto con una spirale di Archimede r=e^teta in modo da controllare il ciclo di vita del tutto).

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c) Potenza di energia chimica per autotrazione nel mondo dell'idrogeno.

Per quanto riguarda le potenze del mondo dell'automonile invece abbiamo:

Motori Termici attuali: MTA: rendimento 25%

Motori Termici ad idrogeno: MTI: rendimento 30%-50%

Motori Fuel Cell a idrogeno : MFC: 37%-52%

tanto per semplificare le cose ci attestiamo su di un valore del 45% per i motori dell'idrogeno del futuro siano essi MTI od MFC.

allora per ottenere 60Kw alla ruota abbiamo bisogno di una potenza chimica pari a 135Kw.

Il conto e' presto fatto. In Italia circolano piu' o meno 20 milioni di veicoli con una potenza media alla ruota di 60Kw ma con una potenza media assorbita di 135Kw, nel mondo dell'idrogeno. Il conto del totale e' presto fatto: 135Kw*20*10^6=2.7*10^12 w = 2700 Gigawatt = 2700 miliardi di watt.

Quanti km^2 di celle ad energia solare dovremo allora installare per soddisfare le esigenze di potenza di picco dei motori ad idrogeno?

n° mt^2 = 2.7*10^12 w / 200 w/mt^2 = 1.35*10^10 mt^2 =

= 13500 Km^2.

ovvero:

n° Km^2 necessari per produrre idrogeno per l'italia con energia solare = 13500 Km^2

Faccio notare che l'italia intera misura circa 390000 Km^2 e che dunque 13500Km^2 e' piu' o meno pari a 3/4 della superficie di un'intera regione italiana.

Naturalmente questi sono i Km^2 per la potenza di picco. pero' al solito le automobili vengono utilizzate solo circa 3 ore al giorno. Dunque verrebbe da pensare che il valore reale si riduca ad 1/8 del valore di picco. Questo sarebbe vero se le celle fotovoltaiche funzionassero anche di notte e se di giorno fosse sempre bel tempo. Considerando un'esposizione ottimale di circa 3-4 ore al giorno riotteniamo questo valore.

***Conclusione 9) L'energia solare e' inapplicabile sulla scala del mondo dell'automobile

Naturalmente a sua volta questo non vuol dire che il mondo dell'idrogeno non deve venire. Significa altresi' solo che l'idrogeno deve essere ottenuto con altri mezzi (ad esempio il nucleare). Chi vi dice altre cose o ha le idee confuse, o peggio e' in malafede.

Opinioni in merito sono gradite.

Regards,

Francesco 8)

[Regazzoni]

Non ho ancora avuto modo di leggere tutto con attenzione, ma diversi ragionamenti che fai sono compromessi da errori. Non si calcola l'energia necessaria dalla potenza massima dell'automobile. Si calcola dall'effettiva energia consumata: quindi o parti come minimo dai litri di carburante consumati mediamente oppure i ragionamenti fatti valgono 0.

Inoltre hai un approccio un po' troppo facile con le percentuali, visto che manipoli un po' troppo facilmente (e con dati contestabili) le dispersioni di energia dovute all'elettrico e trascuri totalmente quelle dovute al chimico.

Inoltre ti ripeto quello che ho postato dall'altra parte:

non puoi dire che l'elettrico non può funzionare perchè l'energia elettrica in rete non basta, perchè basta produrna di più.

non puoi neppure obbiettare che un allacciamento domestico prevede 3 kW e quindi è troppo scarso: primo, se uno ha bisogno di più potenza te la danno con tutto i lcuore; secondo non hai considerato quanta potenza è richiesta per caricare le batterie di un'auto elettrica e non mi meraviglierei se i 3 kW bastassero nella maggior parte dei casi.

Detto ciò se ne può discutere.

[Guest frallog]

Leggi leggi, che ne tratto anche in termini di energia, non solo di potenza. Il rapporto e' 20. Immagini per caso tu che si possa fare una rete che regga un rapporto venti volte superiore? E' un discorso totalmente campato in aria.

Nota: io sono per l'idrogeno, ma ho calcolato che per un Paese come il nostro servirebbero circa 350 (trecentocinquanta) centrali nucleari ciascuna da 2000 MegaWatt per produrre l'idrogeno necessario ai trasporti. Scusate se e' poco.

Regards,

Francesco 8)

[wild84]

hai letto però cosa ho scritto nell'altro post?quello sull'auto elettrica?

[Regazzoni]

Leggi leggi, che ne tratto anche in termini di energia, non solo di potenza. Il rapporto e' 20. Immagini per caso tu che si possa fare una rete che regga un rapporto venti volte superiore? E' un discorso totalmente campato in aria.

Nota: io sono per l'idrogeno, ma ho calcolato che per un Paese come il nostro servirebbero circa 350 (trecentocinquanta) centrali nucleari ciascuna da 2000 MegaWatt per produrre l'idrogeno necessario ai trasporti. Scusate se e' poco.

Regards,

Francesco 8)

Ed è proprio lì che ti sbagli

- primo, un 'auto con 60 kW di potenza (240 kW per il rendimento) e che viaggia 3 ore al gionro non consuma 240*3=720 kWh; la potenza massima in un auto è usata molto molto raramente. credo che il risultato possa essere ridotto tra un terzo e un decimo di quello che hai calcolato

- secondo, un auto elettrica non "consuma" neanche lontanamente 240 kW: se un auto a motore chimico ha una potenza consumata (massima) di un certo valore perchè dovrebbero averla per forza anche tutte le altre propulsioni?

Il tuo fattore 20 quindi non è fondato.

Proverò a cercare qualche dato ulteriore così possiamo rifare i calcoli.

[wild84]

dico solo ke un motor elettrico può muovere un carro ponte con una potenza di 75 KW..

[cbwin]

secondo me il discorso, sebbene unito a tanti gran bei numeroni, non regge...

tu consideri che:

In Italia circolano piu' o meno 20 milioni di veicoli con una potenza media alla ruota di 60Kw ma con una potenza media assorbita di 240Kw. Il conto del totale e' presto fatto: 240Kw*20*10^6=4.8*10^12 w = 4800 Gigawatt = 4800 miliardi di watt.

bene...

A parte il fatto che consideri l'energia massima che da esse può essere sviluppata e ciò si ottiene raramente, devi considerare il fatto che un auto elettrica il cui motore sviluppa 60 kW, per esempio, non assorbe dalla presa a cui è collegata una potenza di 60 kW!!

Quella che citi te è una potenza istantanea...

[Guest frallog]

A parte il fatto che se leggi e non ti fermi alle prime righe ti rendi conto che ho fatto anche un bilancio energetico completo e non solo un confronto sulla potenza massima.

Io sarei il primissimo ad essere felice di sbagliarmi, ma purtroppo non e' cosi'. Anche perche' se mi sbagliassi il mondo dell'idrogeno che a me piace tanto non sarebbe cosi' impossibile da realizzare.

Tra le altre cose, tanto per dirne una, io ho lavorato anche per GRTN (il gestore della rete nazionale.....) e so quello di cui parlo quando accenno alla caduta dell'energia per la reattanza intrinseca dei materiali di trasporto, e delle centrali di complensazione ogni tot Km su un tronco di una linea elettrica.....

La differenza tra me e' voi sta semplicemente nel fatto che a me piacerebbe crederci, ma non mi faccio illusioni.

Regards,

Francesco 8)))

[cbwin]

A parte il fatto che se leggi e non ti fermi alle prime righe ti rendi conto che ho fatto anche un bilancio energetico completo e non solo un confronto sulla potenza massima.

per bilancio energetico intendi dire che hai considerato un motore di 240 Kw (320 CV) che lavora per 3 ore al giorno alla massima potenza?

[Guest frallog]

per bilancio energetico intendi dire che hai considerato un motore di 240 Kw (320 CV) che lavora per 3 ore al giorno alla massima potenza?

Si' hai ragione il bilancio era per l'energia chimica.

Ma e' facile mostrare che con un rendimento del 90% del motore elettrico, del 50% delle batterie, e del 70% della rete elettrica (e qui sono stato mooolto ottimista) il rendimento totale per l'elettrico e:

0.9*0.5*0.7=0.315=31.5%

E dunque si torna pari pari al bilanciamento energetico per i motori chimici.

Pero' devo ammettere che non avevo pensato alla massima potenza. E' una cosa che avevo trascurato il fatto che i motori non lavorano quasi mai alla massima potenza. Questo e' giusto.

Regards,

Francesco 8)