Prof. Guido Barone Dip. Scienze Chimiche Univ Federico II di Napoli Ischia 30/31 marzo 2012

1. Cambiamenti climatici - II ParteLa mitigazione del Riscaldamento Globale: alcuni contributi della Chimica Prof. Guido Barone Dip. Scienze Chimiche Univ Federico II di Napoli Ischia 30/31 marzo 2012

2. L’astronave Terra (da V. Balzani) “passeggeri”: 7 miliardi che diventeranno 8 miliardi entro 20 anni l’ aumento è di 75 milioni all’ anno ogni minuto nascono 24 cinesi e 32 indiani

3. Tra tecnologia e chimica. • Verranno discussi: • Effetto serra. • Biocombustibili. • Solare termico e “termodinamico”. • Fotovoltaico e applicazioni. • Le tecnologie dell’idrogeno. • Le pile a combustibile.

4. Atmosfera e biosfera • L’atmosfera come macchina fisico-chimica di trasformazione e distribuzione dei componenti chimici volatili e degli aerosol. • La biosfera come macchina bio-fisico- -chimica di trasduzione dell’energia solare e della produzione della base della catena alimentare di tutta gli esseri viventi.

5. Effetto serra

6. Una alternativa ai combustibili fossili: biodiesel Per la preparazione si parte da oli di semi vegetali: chimicamente sono dei trigliceridi: • CH2(O-R1)—CH(O-R2)—CH2(O-R3) dove le catene idrocarburiche R sono perlopiù insature, cioè presentano un doppio legame C==C ad esempio: R1 = saturo, R2 = insaturo, R3 = insaturo. • Trattamenti chimici: • Idrolisi catalizzata → glicerina (CH2OH-CHOH-CH2OH) + acidi grassi (R1,2,3-COOH) • Esterificazione con metanolo → CH3OOC(CH2)nCH=CH(CH2)mCH3 • il processo chimico in realtà è più complicato, e coinvolge più passi successivi. • Si confronti comunque la formula con quella di un gasolio da petrolio: CH3-(CH2)(n+m+2)-CH3.

7. Problemi relativi ai biocombustibili • Biodiesel (e “bioetanolo”) producono inquinanti dell’atmosfera. • Però sono rinnovabili (almeno in principio) !! • Le piante per la produzione di oli non commestibili (colza, alcune palme) vanno coltivate su suoli inquinati, non sottraendo suoli al comparto agroalimentare. • Limitare gli incentivi ! • In Brasile sono state tagliate estese aeree delle foreste pluviali per sostituirle con coltivazioni di mais per ottenere etanolo !!

8. Solare “termico”

10. Impianto di concentrazione con collettore lineare. Progetto Archimede; oli ad alta capacità termica.

11. Torre per il solare “termodinamico”.

14. Reti di torri solari • Impianti di Siviglia (Rubbia) e USA. • Progetto della rete nel Sud Algerino: collaborano Germania e Spagna per le tecnologie e la Francia per la progettazione della rete intelligente.

17. Giunzioni n-p • La più diffusa applicazione dei semiconduttori prevede il doppio “drogaggio” di una coppia o di un singolo cristalli di silicio (IV Gruppo), da un lato con un elemento del III Gruppo (boro) e dall’altro con un elemento del V Gruppo (fosforo o arsenico), così da creare una giunzione “n-p” da un lato difettiva di qualche elettrone rispetto al cristallo base, dall’altro con un eccesso di elettroni. • Si è anche utilizzato germanio drogato da un lato con alluminio e dell’altro con arsenico.

18. Conducting Glass Dye Cathode Injection and transport Conduction Band TiO2 hn V<Vbi ox red Electrolyte Available energy Diod S0 p (acceptor) n (donor) CB2 CB1 + + + + Ef I1 Ef I2 - - - - - Vacancies Electrons VB2 E Vd VB1 + + + + + - - - - - - Ef n + - p + Depletion zone E n p + Internal electric field determines the transport => diffusion length Basic definition and working principles 1: Dye absorption Dye must adsorb in the visible region and be easy to reduce/oxidize 2: Injection and Transport in the semiconductor INTRODUCTION Force motrice pour la collecte: champ électrique interne => longueur de diffusion

20. Proprietà a 20°C dei semiconduttori inorganici

21. Fotovoltaico.

23. 1991: Organic dyes based cells. Yie 2000: Yield: 35%, increase: 30%/year and Giunzioni multiple

24. Thin films • High yield (19 %) • Stable and resistent • Cheap to realise (electrodeposition) Hybrid organic/inorganic cells The dye is an organic or organometallic molecule Different type of cells: the hybrid inorganic/organic cells INTRODUCTION • Advantages • Cheap • Organic dye easy to functionalise • High absorption coefficient • long life excited states • Drawbacks • Low condictivity • Not very stable

25. Both fulfill therequirements: • adsorb in the visible region • easily to reduce/oxidize Different type of cells: the hybrid inorganic/organic cells Different type of dyes Organic molecule Eosine Y INTRODUCTION Organometallic complex [M(II)-(4,4’-(CO2H)2-2,2’bipyridine)2L2] M=Ru, Os and L=CN, NCS, Cl, SO

31. Necessità di avere film trasparenti e flessibili.

34. Potenza fotovoltaica installata 2008: 15 GW (aumento del 40% rispetto al 2007)

35. Combustibili (biomasse, fotosintesi artificiale) Elettricità (pannelli fotovoltaici,metodi a concentrazione) Calore(pannelli termici) Tutta l’energia consumata nel mondo può essere prodotta coprendo con pannelli fotovoltaici (10% efficienza) le aree indicate dai quadratini rossi.

36. Potenziale fotovoltaico in Italia energia prodotta in un anno da un modulo fotovoltaico di 1 kWp In Italia centro meri- dionale il fotovoltaico è già competitivo con le centrali turbogas usate per coprire i picchi di consumo. Basterebbe coprire di pannelli fotovoltaici lo 0.8% del territorio per soddisfare tutti i consumi nazionali di elettricità.

37. Discontinuità delle fonti solari • Necessità di accumulatori ad altissima capacità. • Utilizzare l’energia da solare termodinamico e da fotovoltaico per produrre idrogeno. • Idrogeno come vettore energetico, non solo come combustibile.

38. Fotosintesi artificiale Calore(pannelli termici) - combustione - celle a combustibili Hydrogen economy

39. Produzione e stoccaggio di idrogeno • H2O (supercrit.) + CH4 === 2H2 + CO2 (processo termico) • bruciare CH4 darebbe il 30% in più di energia di combustione in più. • 2 H2O ===== 2H2 + O2 (processo elettrolitico) • 2 H2O ===== 2H2 + O2 (processo radiolitico: lontano U.V.) • in tutti i casi i processi presentano un bilancio energetico negativo: ad esempio l’elettrolisi comporta un consumo di energia pari al 150% del calore di combustione di H2 (a parte l’efficienza della combustione). • C (purif.) + H2O (supercrit.) === CO + 2H2 (gas di sintesi, syngas) (in reattore a letto fluido) • CO + H2O (supercrit.) ===2H2 + CO2 • CO2 + CH4 === 2CO + 2H2 (fornace solare) • CH4, GPL, prodotti petroliferi ==== 2H2 + (CO, CO2) (reforming catalitico) • Metodi mecanochimici • Processi biologici • Stoccaggio di H2 liquefatto (a – 257°C); come idruro, in nanotubi di Carbonio.

40. Metodi di stoccaggio dell’idrogeno e i fenomeni sui quali sono basati. Sono riportate la densità gravimetrica dG,H2, la densità volumetrica dV,H2 , T e P di lavoro, Ta ambiente

41. Bombole per H2 compresso

43. Nanotubi di carbonio

44. Fibre di carbonio per la produzione di nanotubi: ottenute dai processi catalitici per produzione di H2

46. Famiglie di composti intermetallici capaci di formare idruri. Gli elementi A e B hanno,rispettivamente, elevata e bassa affinità per l’idrogeno.

47. Cavi superconduttori che trasportano anche idrogeno liquido (da Le Scienze Nov 2006)

48. Spaccato di una pila a combustibile (da Le Scienze n.411, nov.2002).

50. Grazie per l’attenzione !!!! Ringrazio V.Balzani e C.Adamo per alcune slide.