Perché nel treno elettrico c'è un motore elettrico ?

Grossomodo è così, mi sono riletto vecchi appunti che avevo dall'università...
E comunque non ho detto che ci sono 125 grammi ma che se ne estraggono con l'elettrolisi circa 125 gr che è diverso, in pratica qualcosa resta ed è per questo che in genere la stessa acqua viene riprocessata ma tutte le volte la quantità decade fino ad esaurirsi del tutto. Questi erano risultati a cui siamo giunti durante esperimenti nel corso della costruzione dell'ultima centrale nucleare.


Stranger da piccolo... secondo me Stranger non è mai cresciuto abbastanza perché prende le lucciole per lanterne, capisce roma per toma e non capisce che per muovere un treno merci da 5000 ton, non bastano 5 litri di acqua.

A parte che hai conoscenze molto vecchie riguardo un motore a scoppio, il carburatore su un motore a benzina forse lo trovi su quello di un tagliaerba, non certo un'auto o peggio un treno. Oggi la "carburazione" si fa con l'iniezione diretta, molto più performante e meno pericolosa. E comunque polverizzare un liquido non significa gassificare. La benzina viene polverizzata . Il sistema attualmente più utilizzato è il GDI Gasoline Direct Injection che vaporizza ma non gassifica la benzina.
Tuttavia vanno considerati alcuni aspetti: l’azoto compone l’atmosfera per il 78% e nella fase di combustione si ossida producendo proprio NOx. Si tratta in ogni caso di quantità estremamente più basse rispetto a quanto emesso dalla combustione di gasolio e benzina. Principalmente perché un motore che brucia idrogeno ha una miscela carburante aria molto più secca (tanta aria, poco carburante). Inoltre, utilizzando le tecnologie esistenti proprio nella cattura di NOx, le quantità emesse potrebbero essere davvero contenute. Dal punto di vista meccanico si devono prevedere poi alcune accortezze affinché i sistemi funzionino. Un motore a benzina con iniezione indiretta, per esempio, se alimentato a idrogeno ha un rendimento di molto inferiore a quello di un propulsore analogo che brucia benzina. Le cose migliorano se si adottano l’iniezione diretta e la sovralimentazione a geometria variabile. Così facendo si può anche arrivare a motori a idrogeno che sviluppano una potenza superiore a quegli stessi motori alimentati a benzina: basta incrementare la percentuale di idrogeno nella camera di combustione. Ma così facendo si innalzano anche le emissioni di NOx. Al momento attuale c’è da considerare il fatto che i motori a idrogeno a combustione interna sono essenzialmente motori a benzina con qualche modifica.
Lascia perdere questo discorso, perdi solo tempo.


Le densità dell'idrogeno e dell'ossigeno sono 0,0899 e 1,429 g/l a 0 gradi centigradi.
Densità per tutti gli elementi della tavola periodica: https://periodictable.com/Properties/A/Density.al.html
Un litro d'acqua produrrà quindi 111/0,0899 =1235 litri di idrogeno e 888,81/1,429 = 622 litri di ossigeno. Si noti che secondo la legge di Avogadro, il volume dell'idrogeno è circa il doppio di quello dell'ossigeno, perché 1 mole di acqua produce 1 mole di idrogeno e 1/2 mole di ossigeno.

Esprimendoci in grammi: 1 litro di acqua pesa 1 chilo e quando viene elettrolizzato produrrà idrogeno e ossigeno come descritto dalla seguente equazione
2 H2O( l ) → 2 H2( g ) + O2( g )
in termini di peso atomico 36.0012 kg di acqua con 4.0032 kg di idrogeno e 31,998 kg di ossigeno
quindi con un solo chilo otterrai 4.0032/36.0012 o 111,19 g di idrogeno e 31.998/36.0012 o 888,81 g di ossigeno.

Quindi siccome la densità dell’idrogeno è solo di 0,0899 kg/m³, un metro cubo di gas pesa solo quasi 90 grammi e che per averne un chilo bisogna riempire di idrogeno una stanza con un volume di 11,1235 m³.
Ma non è ancora finita. 1 kWh è l’energia fornita dalla potenza di 1 kilowatt per un periodo di 1 ora. Un wattora corrisponde a 3600 joule, quindi 1 kWh equivale a 3,.600,000 J, o 3,6 MJ. Dunque se il potere calorifico di un normal metro cubo di idrogeno è di 12,742 MJ, ovvero 12,742,000 Joule per Nm3, per ottenere un kWh dall’idrogeno ne occorrono circa 282 litri e mezzo. Ma se servono 282 litri di idrogeno per produrre 1kWh di potenza, considerando che per muovere un treno la potenza deve essere di diverse migliaia di kWh, ecco che il famoso litro di acqua non ci fa una cippa al treno, nemmeno accende le spie del pannello strumenti, figurati a farlo partire il treno.
Suvvia Stranger!

Edited by MetS - 20/8/2021, 18:33

me lo chiedo anche io perché continuo a rispondere.
Il problema principale del quesito di Stanger è dato dalla convinzione che con 5 litri d'acqua si riesca a produrre abbastanza idrogeno da muovere un treno. Il punto sta tutto lì perché 5 litri d'acqua, ammesso di poter produrre idrogeno in continuazione, non producono abbastanza idrogeno da poter sviluppare potenze nell'ambito di 4 MW che è quanto serve ad un unico locomotore per muovere un treno merci, poi invece nel caso di un TAV i motori sono diversi, uno per ogni assale trainante per cui in un treno da dieci vetture ecco che ne abbiamo almeno 10 di motori con conseguente stoccaggio dell'acqua. Moltiplica 60kW per i dieci assali e trovi quanta energia ti serve per un treno TAV.

Ma non è finita, visto che l'idrogeno secondo lo Stranger pensiero, verrebbe prodotto attraverso l'energia elettrica che il treno preleva con il pantografo dalla linea elettrica (che ricordo al fellone Stranger è di 13000 Volts o giù di lì) deve necessariamente essere tanto ecco che di acqua da processare deve essere necessariamente tanta anche se questa può essere processata un x numero di volte nel corso del percorso del treno, salvo rifornirsi di acqua nuova quando la prima quantità non produce più idrogeno con l'idrolisi.

E' tutto troppo complicato per poter funzionare. Non per niente nessuno ha pensato di realizzare una simile castroneria, per fortuna gli ingegneri sono più intelligenti di quanto Stranger-Genco possa pensare.

Elettrolisi dell’acqua

L’elettrolisi dell’acqua è il procedimento diretto e pulito per ottenere l’idrogeno.
Per ora questa tecnologia contribuisce solo per il 5% alla produzione mondiale di idrogeno in quanto economicamente non e’ conveniente.
L'elettrolisi avviene tramite l'utilizzo di un fascio elettronico che attraversa la soluzione acquosa (soluzione alcalina con idrossido di potassio che si comporta da elettrolita). Si genera un campo elettrico che permette la scissione dell'ossigeno e dell'idrogeno della molecola di acqua che diventano ioni.

L'anodo è separato dal catodo mediante un diaframma microporoso permeabile solamente agli ioni.
L'idrogeno si accumula dalla parte del catodo, l'ossigeno viceversa da quella dell'anodo.
Il processo di elettrolisi richiede acqua costantemente reintegrata ed elettricità, fornendo in uscita ossigeno e idrogeno, quest'ultimo caratterizzato da un notevole livello di purezza, circa 99,95% e ad una pressione di 6 bar.

L'idrogeno ottenuto, quindi, non necessita di processi di purificazione a posteriori costosi ed è adatto all'uso nelle fuel cell, soprattutto per quelle di uso automobilistico. Per avere un impatto ambientale nullo è necessario che l'energia elettrica provenga da fonti rinnovabili.
Essendo un processo sempre attivabile lo si potrebbe utilizzare nelle fasce di minor necessità energetica (ore notturne) quando ad esempio le centrali idroelettriche lavorano a capacità ridotta. Così non si sovraccaricherebbe la rete. Si tratta, cioè, di utilizzare l'idrogeno come vettore o volano
energetico per l'immagazzinamento e lo scambio.

Il rendimento dell'elettrolisi è del 65% e questo spiega l'attuale bassa diffusione. Per incrementare l'efficienza energetica si sta studiando una nuova tipologia di elettrolisi detta ad alta temperatura o HTE (High Temperature Electrolysis): si svolge a temperature nel range 900-1000°C ed è economicamente più efficiente perché parte dell'energia viene fornita come calore ed è quindi più economico dell'elettricità.
In queste condizioni la reazione elettrolitica è facilitata e accelerata.

Il problema della purificazione dell’idrogeno

L’idrogeno, per essere usato correttamente come combustibile per i sistemi stazionari e veicolari, deve sempre essere purificato perché la presenza di impurità riduce rapidamente l’efficienza. Il processo di purificazione va effettuato prima che l’idrogeno venga compresso o liquefatto. Esistono sistemi di purificazione che agiscono già nelle fasi di produzione dell’idrogeno.
Questi sistemi (catalitici, ad assorbimento, a membrana…) eliminano dall’idrogeno le impurità
residue dovute ai procedimenti scelti per produrlo.
Il tipo di impiego, poi, richiederà un determinato grado di purezza.

Esistono separatori per la rimozione delle polveri che, anche se con efficienza elevata (98%),
hanno un'applicazione limitata poiché permettono la rimozione solo delle particelle con spessore
maggiore a 5 mm.
La purificazione a posteriori, invece, avviene con il PSA ovvero l'assorbimento a pressione
discontinua, in cui l'idrogeno grezzo è costretto ad attraversare sotto pressione un filtro al carbonio attivo o un reticolato di molecole di carbonio.
A intervalli regolari è necessario rigenerare il filtro con una pulitura e questo crea discontinuità nel
processo.

E’ questo il processo che permette di ottenere la più elevata purezza dell'idrogeno (99,99%).
Il costo di questi processi dipende dal grado di purezza desiderato, dalla grandezza degli impianti
e anche dal grado di contaminazione dei gas da trattare.
Si stanno studiando nuovi materiali che permettano di contenere i costi di purificazione e che
permettano anche una purificazione dell'idrogeno direttamente on-board, nel serbatoio del veicolo
un attimo prima del consumo.

Continua...