Differenze tra le versioni di "Gli elettrolizzatori che non ci elettrolizzeranno"

Versione delle 01:12, 1 dic 2024

IL LIMITE DI FARADAY

l limite di Faraday nella elettrolisi alcalina si riferisce alla quantità massima di carica elettrica necessaria per generare una determinata quantità di sostanza (ad esempio, idrogeno e ossigeno) attraverso un processo elettrochimico, secondo la legge di Faraday dell'elettrolisi.

In parole povere : IL LIMITE DI FARADAY NON SI SUPERA (in condizioni normali STP) .

Per avere delle quantità maneggiabili per il lettore si mostra come si calcolano due grandezze fondamentali utili ad ogni ragionamento :

- litri minuto di gas per confrontarlo con le esigenze di un motore a scoppio normale (benzina)

- kg di materiale per confrontarlo con l'energia del gasolio .​

Per trasformare il limite di Faraday in litri di gas (H₂ e O₂) per minuto per kW, dobbiamo :

1. **Conoscere la quantità di gas prodotta per Faraday**:

  - 1 mole di H₂ (idrogeno) corrisponde a 22,4 litri a condizioni standard di temperatura e pressione (STP) e richiede 2 Faradays di carica.
  - 1 mole di O₂ (ossigeno) corrisponde a 22,4 litri a STP e richiede 4 Faradays di carica.

2. **Calcolare la produzione di gas per unità di carica elettrica**:

  - 1 Faraday = 96,485 coulomb.
  - Per H₂: 22,4 litri / 2 Faradays = 11,2 litri/Faraday.
  - Per O₂: 22,4 litri / 4 Faradays = 5,6 litri/Faraday.

3. **Convertire la corrente in coulomb per secondo (ampère) in coulomb per minuto per kW**:

  - 1 kW corrisponde a 1000 watt, e se assumiamo che tutta l'energia si converte in corrente elettrica (che non è realistico), 1 kW = 1000 watt = 1000 joule/secondo.
  - 1 joule = 1 watt-seconds, quindi 1000 watt-seconds = 1000 coulomb a 1 volt (volt è joule per coulomb). 
  - Se consideriamo un voltaggio di elettrolisi tipico (circa 1,23 V per l'acqua), la corrente sarebbe circa 1000/1,23 ≈ 813 A.

4. **Calcolare i litri di gas per minuto per kW**:

  - Per H₂: 
    - 813 A * 60 secondi = 48,780 coulomb al minuto.
    - 48,780 coulomb / 96,485 coulomb/Faraday * 11,2 litri/Faraday ≈ 5,68 litri/minuto per kW.
  
  - Per O₂:
    - 48,780 coulomb / 96,485 coulomb/Faraday * 5,6 litri/Faraday ≈ 2,84 litri/minuto per kW.

Quindi:

- **Idrogeno (H₂)**: ~5,68 litri/minuto per kW.

- **Ossigeno (O₂)**: ~2,84 litri/minuto per kW.

Nota che queste stime sono teoriche e basate su un'efficienza del 100% e un voltaggio ideale. Nella pratica, l'efficienza dell'elettrolisi è inferiore e le quantità di gas prodotte saranno minori, a seconda delle specifiche condizioni operative e dell'efficienza dell'impianto.

IL LIMITE DI FARADAY IN LITRI MINUTO E KWH

Per trasformare il limite di Faraday in litri di gas (H₂ e O₂) per minuto per kW, dobbiamo considerare diversi fattori:

1. **Conoscere la quantità di gas prodotta per Faraday**:

  - 1 mole di H₂ (idrogeno) corrisponde a 22,4 litri a condizioni standard di temperatura e pressione (STP) e richiede 2 Faradays di carica.
  - 1 mole di O₂ (ossigeno) corrisponde a 22,4 litri a STP e richiede 4 Faradays di carica.

2. **Calcolare la produzione di gas per unità di carica elettrica**:

  - 1 Faraday = 96,485 coulomb.
  - Per H₂: 22,4 litri / 2 Faradays = 11,2 litri/Faraday.
  - Per O₂: 22,4 litri / 4 Faradays = 5,6 litri/Faraday.

3. **Convertire la corrente in coulomb per secondo (ampère) in coulomb per minuto per kW**:

  - 1 kW corrisponde a 1000 watt, e se assumiamo che tutta l'energia si converte in corrente elettrica (che non è realistico, data l'efficienza dell'elettrolisi), 1 kW = 1000 watt = 1000 joule/secondo.
  - 1 joule = 1 watt-seconds, quindi 1000 watt-seconds = 1000 coulomb a 1 volt (volt è joule per coulomb). 
  - Se consideriamo un voltaggio di elettrolisi tipico (circa 1,23 V per l'acqua), la corrente sarebbe circa 1000/1,23 ≈ 813 A.

4. **Calcolare i litri di gas per minuto per kW**:

  - Per H₂: 
    - 813 A * 60 secondi = 48,780 coulomb al minuto.
    - 48,780 coulomb / 96,485 coulomb/Faraday * 11,2 litri/Faraday ≈ 5,68 litri/minuto per kW.
  
  - Per O₂:
    - 48,780 coulomb / 96,485 coulomb/Faraday * 5,6 litri/Faraday ≈ 2,84 litri/minuto per kW.

Quindi:

- **Idrogeno (H₂)**: ~5,68 litri/minuto per kW.

- **Ossigeno (O₂)**: ~2,84 litri/minuto per kW.

Nota che queste stime sono teoriche e basate su un'efficienza del 100% e un voltaggio ideale. Nella pratica, l'efficienza dell'elettrolisi è inferiore e le quantità di gas prodotte saranno minori, a seconda delle specifiche condizioni operative e dell'efficienza dell'impianto.

L'efficienza di un ELETTROLIZZATORE di basso costo (alcalino normale) è dal 60 al 70 per cento , uno di alto costo (PEM) arriva al 80 per cento dei valori sopra indicati .

CON QUANTI KW SI FA UN KG DI IDROGENO ?

Per determinare quanti kilowatt (kW) sono necessari per produrre 1 kg di idrogeno (H₂) tramite elettrolisi, dobbiamo considerare:

1. **Quantità di idrogeno**:

  - 1 kg di H₂ corrisponde a circa 1000/2 = 500 moli di H₂ (poiché la massa molare dell'H₂ è 2 g/mol).

2. **Energia necessaria per produrre 1 mole di H₂**:

  - Per elettrolisi, 1 mole di H₂ richiede 2 Faradays di carica, come discusso precedentemente. 
  - 1 Faraday = 96,485 coulomb, quindi 2 Faradays = 192,970 coulomb per mole di H₂.
  - L'energia elettrica richiesta per un Faraday a 1,23 V (potenziale di decomposizione dell'acqua) è 96,485 coulomb * 1,23 V = 118,677 J.

3. **Efficienza di elettrolisi**:

  - L'efficienza reale dell'elettrolisi non è del 100%. Per elettrolisi alcalina, un'efficienza comune è intorno al 60-70%. Per questo esempio, useremo un'efficienza del 65%.

4. **Calcolo dell'energia elettrica totale per 500 moli di H₂ con efficienza del 65%**:

  - Energia per 1 mole di H₂ = 118,677 J / 0,65 (efficienza) = 182,580 J/mol.
  - Per 500 moli: 182,580 J/mol * 500 mol = 91,290,000 J.

5. **Conversione in kWh**:

  - 1 J = 2,77778 × 10⁻⁷ kWh
  - 91,290,000 J * 2,77778 × 10⁻⁷ kWh/J = circa 25,35 kWh.

Quindi, per produrre 1 kg di idrogeno con un'efficienza del 65%, sono necessari circa **25,35 kWh** di energia elettrica.

Per ottenere i kW necessari, dobbiamo considerare il tempo necessario per produrre questo quantitativo, ma se consideriamo un'elettrolisi continua per un'ora (60 minuti), avremmo:

- 25,35 kWh / 1 ora = 25,35 kW.

Tuttavia, questo è un calcolo basato su un'ora di produzione continua; se l'elettrolisi non è continua o se si considera un diverso periodo di tempo, il kW richiesto varierà.

CONSIDERIAMO IL TEORICO 100% DI EFFICIENZA

Se il rendimento fosse del 100%, il calcolo diventa più semplice:

1. **Quantità di idrogeno**:

  - 1 kg di H₂ = 500 moli di H₂.

2. **Energia necessaria per produrre 1 mole di H₂**:

  - 1 mole di H₂ richiede 2 Faradays di carica.
  - Energia per 1 Faraday a 1,23 V = 96,485 coulomb * 1,23 V = 118,677 J.
  - Per 2 Faradays: 2 * 118,677 J = 237,354 J per mole di H₂.

3. **Energia totale per 500 moli di H₂**:

  - 237,354 J/mol * 500 mol = 118,677,000 J.

4. **Conversione in kWh**:

  - 1 J = 2,77778 × 10⁻⁷ kWh
  - 118,677,000 J * 2,77778 × 10⁻⁷ kWh/J = circa 33,00 kWh.

Quindi, con un rendimento teorico del 100%, per produrre 1 kg di idrogeno, sono necessari circa **33,00 kWh**.

Per ottenere i kW necessari, considerando una produzione continua per un'ora (60 minuti), avremmo:

- 33,00 kWh / 1 ora = 33,00 kW.

Questo è il valore teorico, assumendo che tutta l'energia elettrica sia convertita efficacemente in idrogeno senza perdite.

PAREGGIAMO UN KG DI GASOLIO

Per pareggiare l'energia contenuta in 1 kg di gasolio con idrogeno, dobbiamo confrontare il contenuto energetico di entrambi i combustibili:

1. **Energia contenuta nel gasolio**:

  - Il potere calorifico inferiore (PCI) del gasolio è circa 43 MJ/kg (megapjoule per chilogrammo).

2. **Energia contenuta nell'idrogeno**:

  - Il potere calorifico inferiore dell'idrogeno (H₂) è circa 120 MJ/kg.

Ora, calcoliamo quanti kg di idrogeno sono necessari per fornire l'energia equivalente a 1 kg di gasolio:

- 43/120 = 0,3583

Quindi, per pareggiare l'energia di 1 kg di gasolio, sono necessari circa **0,358 kg di idrogeno**.

GASOLIO USATO IN ITALIA PER UN ANNO (2023)

Per calcolare la quantità di energia elettrica necessaria per produrre idrogeno equivalente a 1,87 milioni di tonnellate di gasolio, seguiamo questi passaggi:

1. **Convertire tonnellate di gasolio in chilogrammi**:

  - 1 tonnellata = 1.000 kg
  - 1,87 milioni di tonnellate = 1.870.000 tonnellate = 1.870.000.000 kg.

2. **Determinare la quantità di idrogeno necessaria per chilogrammo di gasolio**:

  - Come calcolato precedentemente, 1 kg di gasolio è equivalente a 0,358 kg di idrogeno.

3. **Calcolare il totale di idrogeno necessario**:

  - 1.870.000.000 kg di gasolio * 0,358 kg di H₂/kg di gasolio = 669.460.000 kg di H₂.

4. **Calcolare l'energia elettrica necessaria per produrre tutto l'idrogeno** (assumendo rendimento al 100%):

  - Per produrre 1 kg di H₂ sono necessari 33 kWh.
  - Quindi, per 669.460.000 kg di H₂:

Energia elettrica = 669.460.000 kg × 33 kWh/kg

Energia elettrica ≈ 22.092.180.000 kWh

5. Convertire in gigawattora (GWh) per semplificare:

Energia elettrica in GWh = 22.092.180.000 kWh ÷ 1.000.000

Energia elettrica in GWh ≈ 22.092,18 GWh

Quindi, per produrre idrogeno equivalente in energia a 1,87 milioni di tonnellate di gasolio, sarebbero necessari circa **22.092,18 GWh** di energia elettrica, assumendo un rendimento dell'elettrolisi al 100%.

METTIAMO IL TUTTO IN TERAWATT

Per convertire i gigawattora (GWh) in terawattora (TWh), usiamo la seguente relazione:

1 TWh = 1.000 GWh.

Quindi:

Energia elettrica in TWh = 22.092,18 GWh ÷ 1.000

Energia elettrica in TWh ≈ 22,09218 TWh

Quindi, per produrre idrogeno equivalente in energia a 1,87 milioni di tonnellate di gasolio, sarebbero necessari circa **22,09 TWh** di energia elettrica, assumendo un rendimento dell'elettrolisi al 100%.

QUANTA ENERGIA ELETTRICA SI PRODUCE IN ITALIA ?

In Italia nel2023 sono stati prodotti 1.461 Ktep di energia elettrica . Per convertire le migliaia di tonnellate equivalenti di petrolio (ktep) in terawattora (TWh), dobbiamo conoscere il contenuto energetico del petrolio in termini di gigajoule (GJ) e poi convertirlo in terawattora.

1. **Conversione da ktep a GJ**:

  - 1 tep (tonnellata equivalente di petrolio) = 41,868 GJ (gigajoule).

  - Quindi, 1.461 ktep = 1.461.000 tep.

  - Energia in GJ = 1.461.000 tep * 41,868 GJ/tep = 61.180.348 GJ.

2. **Conversione da GJ a TWh**:

  - 1 TWh = 3.600.000 GJ (poiché 1 TW = 10^12 watt e 1 ora = 3.600 secondi, quindi 1 TWh = 10^12 * 3.600 = 3.600.000 GJ).

  - Quindi, per convertire:

Energia in TWh = 61.180.348 GJ ÷ 3.600.000 GJ/TWh

Energia in TWh ≈ 16,995 TWh

Quindi, 1.461 ktep corrispondono a circa **16,995 TWh**.