idrogeno e celle a combustibile - brindisi.enea.it · elettrolisi processi ad alta t processi...

MR/2009-1

ENTE PER LE

NUOVE TECNOLOGIE,

L’ENERGIA E L’AMBIENTE

Francesco Di Mario, Marina Ronchetti

ENEA, Dipartimento TER

Idrogeno e Celle a Combustibile:Stato dell’arte, tecnologie disponibili e

problematiche aperte

Giornata sulle Tecnologie del Ciclo dell’Idrogeno e sulle Celle a Combustibile

Brindisi, 7 aprile, 2009

MR/2009 - 2 Dipartimento TER

Indice

Idrogeno come vettore energetico e relative tecnologia

Celle a combustibile

Mercati attuali e scenari di sviluppo

Programmi internazionali ed europei

Programmi italiani e attività ENEA


Perchè l’idrogeno come vettore energetico?

Fonte: World Fuel Cell Council, Nuvera

Sicurezza

approvvigionamento

energetico

Competitività

internazionale

Riduzione

gas serra

Inquinamento

locale

Stati Uniti

Giappone

Europa

Bassa Importanza Alta

Riduzione delle emissioni di gas

serra - inquinamento globale

Riduzione delle emissioni di

inquinanti locali

Diversificazione delle fonti primarie,

riduzione della dipendenza dalle

importazioni

Aumento della competitività

dell’industria con la creazione di

nuove opportunità ad alto valore

aggiunto


Ciclo dell’idrogenoF

oss

ili

CGH2

LH2

Idrogenodotto

o trasporto su

strada

NUCLEARE

Rin

no

vab

ili

GAS NATURALE

Ossidazione parzialeOLI PESANTI / RESIDUI I RAFFINERIA

CARBONE

BIOMASSE

COLLETTORI SOLARI

ELETTRICITÀ

EOLICO, PV, IDROELETTRICO

Elettrolisi

Processi ad alta T

Processi termochimici

Processi foto-biologici

Elettrolisi

Reforming

Gassificazione

Gassificazione

Steam reforming (on site)

Elettrolisi (on-site)

Elettrolisi (on-site)

Trasporto

di LH2 su

strada


Principali fattori che influiscono sullo sviluppo

dell’idrogeno

Sviluppo di tecnologie/combustibili alternativi

Fattori tecnologici (disponibilità, prestazioni e costi delle

diverse tecnologie necessarie per l’intero ciclo dell’idrogeno)

Fattori politici e socio-economici (politiche per riduzione CO2

e sicurezza approvvigionamenti, disponibilità delle risorse

necessarie, prezzo dei combustibili e tassazione sugli stessi,

informazione/educazione, standard e normative, ecc.)


0

5

10

15

20

25

30

2000 2010 2020 2030 2040 2050

[EJ/

yr]

MAP100

MAP

MAP25

BASE

Influenza delle politiche per la riduzione della CO2 sulla

diffusione dell’idrogeno (IEA)

Incentivi per la riduzione della

CO2 equivalenti a:

- 100 $/t CO2 per MAP100

- 50 $/t CO2 per MAP

- 25 $/t CO2 per MAP25


Produzione da fonti fossili

GAS NATURALE

PETROLIO

CARBONE

Reforming

Gassificazione

Ossidazione parziale

IDROGENO

Confinamento CO2

NECESSITÀ DI R&S Identificazione nuovi catalizzatori di reforming

Miglioramento dell’efficienza dei processi

Sviluppo di sistemi di separazione/purificazione

dell’idrogeno

Sviluppo di soluzioni per il confinamento e sequestro

della CO2 coprodotta (CCS)

Sviluppo di reformer di piccola taglia per produzione

on-site ed accoppiamento con impianti a celle a

combustibile

Le tecnologie di produzione sono mature, ma suscettibili di ulteriori miglioramenti da un punto

di vista energetico, ambientale e dei costi.


Produzioni da rinnovabili

EOLICO, PV

BIOMASSE

SOLARE TERMODINAMICO

IDROGENO

BIOPRODUZIONE (es. alghe verdi)

Elettrolisi

Processi foto-biologici

Processi termochimici “neutral CO2”

Gassificazione

NECESSITÀ DI R&S

ELETTROLISI Miglioramento dell’efficienza del processo

Sviluppo materiali e processi per elettrolisi ad alta temperatura

Riduzione dei costi del sistema (attraverso miglioramenti dei processi di fabbricazione,

semplificazione dell’ingegneria d’impianto)

GASSIFICAZIONE BIOMASSE Ottimizzazione dell’affidabilità, rese e costi del processo

Nuove configurazioni d’impianto per integrazione con processi di separazione CO2

Preparazione e logistica delle materie prime

PROCESSI TERMOCHIMICI Dimostrazione dei cicli termochimici più promettenti su scala pilota

Messa a punto di processi di separazione idrogeno/ossigeno

PRODUZIONE DA SORGENTI

BIOLOGICHE

Studio dei processi con selezione delle specie organiche (microrganismi, alghe) coinvolte

Dimostrazione su scala pilota


Produzione idrogenoCosti attuali ed obiettivi di costo DoE ($/gge*)

Breve termine: Produzione distribuita

Gas naturale

Elettrolisi

Bio-derivati liquidi

Lungo termine: Produzione centralizzata

Gassificazione biomasse

Elettrolisi EE da eolico

Gassificazione del carbone con CCS

Nucleare

Cicli termochimici - Solare alta temperaturaTARGET DI COSTO

TARGET DI COSTO

Milestone futuri

Milestone futuri

*1 gge (gallon of gasoline equivalent) è circa uguale a 1 kg di H2


Distribuzione e trasporto dell’idrogeno

WaziersWaziers

Lille

IsberguesIsbergues

FeluyFeluy

CharleroiCharleroi Liege

Genk

Dordrecht

Rotterdam

NETHERLANDS

BELGIUMFRANCE

AntwerpAntwerp

Gent

BergenBergen--opop--ZoomZoom

Maubeuge

Zeebrugge

RozenburgRozenburg

TerneuzenTerneuzen

Geleen

Mons

DunkirkDunkirk

Brussels

WaziersWaziers

Lille

IsberguesIsbergues

FeluyFeluy

CharleroiCharleroi Liege

Genk

Dordrecht

Rotterdam

NETHERLANDS

BELGIUMFRANCE

AntwerpAntwerp

Gent

BergenBergen--opop--ZoomZoomBergenBergen--opop--ZoomZoom

Maubeuge

Zeebrugge

RozenburgRozenburgRozenburgRozenburg

TerneuzenTerneuzen

Geleen

Mons

DunkirkDunkirk

Brussels

L’idrogeno è

attualmente distribuito

in forma liquida e

come gas compresso,

utilizzando carri

bombolai o

idrogenodotti. I tube trailers

possono essere

utilizzati come

sistemi di accumulo

presso l’utente o

alla stazione di

servizio

Tube trailer (1.000-6.000 Nm3 CH2)

Carri bombolai (39.000 Nm3)Capacità 10 Nm3, 200 bar

Rete di 720 km in USA e 1500 km in Europa

I gasdotti utilizzati sono costruiti in acciaio ed operano a pressioni di 10-20 bar, con un diametro di 25-30 cm


Stazioni di rifornimento idrogeno

Gas naturale

Energia elettrica

Cella a combustibile

Calore

STAZIONE TOTAL ENERGY

Steam reforming

Purificazione

Accumulo

H2 compresso H2 compresso

Gas naturale H2

Steam reforming

Energia elettrica

Acqua

H2Purificazione

Elettrolisi

Compressore

Purificazione (PSA)

Accumulo


PRODUZIONE ON-SITE

Pompa e

vaporizzatore

Compressore

Trasporto H2 liquido

Trasporto H2 compresso

Idrogenodotto

Accumulo

H2 liquido

Accumulo


H2 liquido

PRODUZIONE CENTRALIZZATA

Nord America

72

Europa45Giappone

15

Resto del mondo

16

Sono operative circa 150 stazioni

di rifornimento idrogeno e 78 sono

in corso di realizzazione

ESEMPI DI

STAZIONI DI

RIFORNIMENTO

MOBILI


Accumulo di idrogeno Applicazioni veicolari

Idruri (metallici, chimici e complessi)

Adsorbimento in solidi

(nanostrutture di carbonio,

MOF=Metal-Oxide Framework)

Idrogeno compresso

Idrogeno liquido in

serbatoi criogenici

Efficienza energetica

Pesi/ingombri compatibili con l’autonomia richiesta

Condizioni operative compatibili con l’applicazione

Vita ciclica

Costo di acquisto e gestione

Sicurezza e standardizzazione dei componenti

Sistemi misti criogenici/pressurizzati

Serbatoi in pressione consentono di ridurre le perdite

dei serbatoi di H2 liquido (boil-off), si adattano con

flessibilità alle esigenze di rifornimento, comportandosi

come un serbatoio in pressione o di accumulo di

idrogeno liquido o una combinazione dei due sistemi

in funzione dell’uso

Serbatoi “conformabili” adattabili più

facilmente agli spazi disponibili nel veicolo

Nuovi concetti per il sistema di accumulo

Criteri di scelta del sistemaSistemi di accumulo convenzionali

Serbatoio conformabile

Quantum-Thiokol (700 bar)

Serbatoio criocompresso

( LLNL )

Sistemi di accumulo innovativi


Accumulo idrogeno

Obiettivi e stato della tecnologia

Idrogeno compresso a 350 bar - 2008

Densità gravimetrica: 2.8 -3.8%

Densità volumetrica: 17 g/L

Costo: 17 $/kWh

Idrogeno compresso a 700 bar - 2008

Densità gravimetrica: 2.5 - 4.4%

Densità volumetrica: 18 - 35 g/L

Costo: 27$/kWh

Idrogeno liquido - 2008

Densità gravimetrica: 5.1 – 6.5%

Densità volumetrica: 22- 36 g/L

Costo: 8 $/kWh

Materiali solidi (adsorbenti) - 2008

Densità gravimetrica: 3%

Densità volumetrica: 14- 19 g/L

Costo: 15.6 $/kWh

Obiettivi 2010Idrogeno

compresso

Idruri

chimici

Idruri

metalliciSolidi

Volume

(1,5 kWh/L)

Peso

(2,0 kWh/kg)

Costo

(4 $/kWh)

Tempo di rifornim.

(3 min per 5 kg)

Durata

(1000 cicli)

Alte Medio-alte Medie Basse

Difficoltà di raggiungimento dell’obiettivo

Caratteristiche

del sistemaObiettivo 2010 Obiettivo 2015

Densità gravimetrica 6% 9%

Densità volumetrica 1.5 kWh/L (45 g/L) 2.7 kWh/L (81g/L)

Costo 4 $/kWh 2 $/kWh

Fonte: S. Satyapal et al. Programma DoE

Stato della tecnologia(Programma DoE)


Utilizzo dell’idrogeno


Motori a combustione interna


Turbine



Indice







Cosa è una cella a combustibile

E’ un dispositivo elettrochimico

che converte direttamente l’energia

di un combustibile in elettricità e

calore, senza passare attraverso

cicli termici e quindi senza risentire

delle limitazioni imposte a questi

ultimi dalla termodinamica (Carnot)

Conversione elettrochimica

Potenza

elettricaCalore

IDROGENO

(combustibile)

OSSIGENO

(aria)+ ACQUA


Temperatura: 60-120 °C

Stato tecnologia: 5-150 kW

Mercati: Usi speciali (militari, spaziali)

Trasporto

Celle alcaline, AFC


Stato della tecnologia: 50 kW - 1 MW

Impianti fino a 11 MW

Applicazioni: Cogenerazione commerciale

Generazione distribuita


Stato tecnologia: 1-250 kW

Applicazioni: Trasporto

Residenziale

Premium power

Generazione remota

Celle ad elettrolita polimerico, PEFC


Stato della tecnologia: 100 kW - 3 MW



(impianti fino a 20 MW)

Celle a carbonati fusi, MCFC

Temperatura: 900-1000°C

Stato della tecnologia: 50 kW- 1 MW



(impianti fino a 20 MW)

Trasporto (APU)

Celle ad ossidi solidi, SOFC


Stato tecnologia: < 2 kW

Applicazioni: Generazione portatile

Elettronica di consumo

Celle metanolo diretto, DMFC

Tipi di celle a combustibile

Celle ad acido fosforico, PAFC


Sistemi con celle a combustibile

CombustibileCELLA

A

COMBUSTIBILEFUEL

PROCESSOR

CONDIZIONAMEMTO

POTENZA ELETTRICAPotenza

AC

Potenza

DCGas

ricco-H2-

Vapore

Aria

Acqua

Esausto

Calore Cogenerazione o Bottoming Cycle


Caratteristiche generali

dei sistemi con celle a combustibile

Elevata efficienza di conversione

Rendimento quasi indipendente dal

carico e dalla taglia dell'impianto

Flessibilità nell'uso dei combustibili

Impatto ambientale ridotto, con

emissioni trascurabili e bassa

rumorosità

Modularità

Facilità di localizzazione

Rapida risposta al variare del carico

PureCell 200 DFC 300MA

Emissioni impianti di diversa tipologia


Obiettivi e barriere

TRASPORTO

- 50-100 €/kW

- 5.000 ore di durata

GENERAZIONE STAZIONARIA

-1.000-1.500 €/kW


OBIETTIVI

STATO DELL’ARTE

TRASPORTO

- 3.000-4.000 €/kW


GENERAZIONE STAZIONARIA

- 3.000-8.000 €/kW

- 40.000 ore di durata (alcuni impianti PAFC)

Trasporto

Generazione

stazionaria

COSTO STACK $/kW – PROGRAMMA

DOE(sistema da 80 kW a idrogeno, per usi nel trasporto

proiezioni per 500.000 unità/anno)

Fonte: Programma DoE (USA),2008

DURATA, ore


Celle ad elettrolita polimerico (PEFC)

MATERIALI DEI COMPONENTI DI CELLA

Anodo

Catodo

Elettrodi a diffusione gassosa costituiti da uno strato diffusivo (carbone + PTFE) ed uno strato catalitico

(C/PTFE-catalizzatore) su supporto di carbon paper o carbon cloth

Catalizzatore: platino o una sua lega (Pt-Ru) supportato su carbone

Carico di Pt: 0,2-0,4 mg/cm2

Elettrolita Membrana solfonica perfluorurata (del tipo Nafion). Spessore: 50-200 m

Piatti bipolari Grafite o in qualche caso materiale metallico

Temperatura 70 - 100 °C

VANTAGGI

Bassa temperatura operativa

Rapidi tempi di avviamento

Elevata densità di potenza

NECESSITÀ DI R&S

Nuovi catalizzatori per lo sviluppo di elettrodi a basso carico di metallo nobile

Sviluppo di anodi con maggiore tolleranza al CO

Sviluppo di membrane in grado di operare a temperature > 100°C

Ottimizzazione delle gestione dell’acqua all’interno della cella

Nuove configurazioni di impianto per una migliore integrazione cella/sistema di riforma del combustibile


Celle ad elettrolita polimerico (PEFC)Applicazioni stazionarie

Efficienza: 37-40 %

Combustibile: idrogeno,gas naturale, GPL

Reforming del combustibile: esterno

Stato della tecnologia

Sistemi CHP 1-5 kW per usi residenziali e potenza di back-up

Sistemi di generazione cogenerazione fino a 250 kW

Generatori portatili < 1 kW

Attività dimostrative

Large Scale Fuel Cell Demonstration Project (Giappone): Sistemi residenziali da 1 kW alimentati con diversi combustibili (3307unità installat tra il 2005 e il 2008)

DoD Residential PEFC Demonstration Programme (USA): 91 unità di potenza 1-5 kW in 56 siti militari

Unità 1-5 kW in prova come sistemi di back-up presso diversi utenti (aziende di telecomunicazioni, data center, ecc.)

Sistemi da 50 e 120 kW installati presso impianti chimici dove l’idrogeno è disponibile come sottoprodotto (es. impianti cloro-soda)

Principali costruttori

Ballard Power Systems/Ebara, Hydrogenics, IdaTech, Intelligent Energy, Nuvera Fuel Cells, Plug Power, ReliOn, Toshiba Fuel CellPower Systems, Fuji Electric, Panasonic, Eneos CellTech (JV Sanyo/Nippon Oil) , Tokyo Gas, Exergy Fuel Cells, NedStack


Celle ad elettrolita polimerico (PEFC)Applicazioni nel trasporto


Stack e sistemi fino a 250 kW


• Controlled Hydrogen Fleet and Infrastructures Demonstration and Validation Project (2004-2009,Programma DOE, USA)

• California Fuel Cell Partnership (1999-2012, USA)

• Japan Hydrogen & Fuel Cell Demonstration Project (2002-2010 ,Giappone)

• Progetti Europei (6FP): HyFleet:CUTE, HyCHAIN Minitrans, Zero Regio

• Clean Energy Partnership (2004-2010, Germania)

• London Hydrogen Transport Programme (2006-…, Regno Unito)


Ballard Power Systems, CEA, General Motors, Honda Motors, Hydrogenics, Nuvera Fuel Cells, ToyotaMotors, UTC Power


Celle ad acido fosforico (PAFC)

VANTAGGI

Buona efficienza in cogenerazione

Buona affidabilità e durata

NECESSITÀ DI R&S

Studio di elettrodi con maggiore tolleranza al CO

Riduzione dei costi attraverso lo sviluppo di nuovi materiali e processi di fabbricazione dello stack e del sistema completo


AnodoPlatino legato a PTFE su supporto di carbone (Vulcan XC-72)

Contenuto Pt: 0,10 mg/cm2

CatodoPlatino legato a PTFE su supporto di carbone (Vulcan XC-72)

Contenuto Pt: 0,5 mg/cm2

Elettrolita 100% H3PO4 su matrice amorfa (PTFE-SiC)

Piatti bipolari Grafite

Temperatura 160 - 220 °C


Celle ad acido fosforico (PAFC)

Efficienza: 40-50 %

Combustibile: idrogeno, idrocarburi riformati, gas di discarica

Reforming del combustibile: esterno


Impianti per cogenerazione da 100-400 kW per i settori residenziale e terziario

Impianti commerciali da 200 kW (PureCell TM200)


Oltre 300 unità da 100 e 200 kW installate in USA e Giappone

Programma Department of Defense (USA): 30 impianti PureCellTM200 installati tra il 1994 e il 1997 in diversi siti militari

In Giappone presso aziende energetiche in passato hanno operato impianti di potenza 1-11 MW;un impianto da 1.3 kW esercito inItalia (1995-1998)

Costruttori

UTC Power e HydroGen Corp. negli Stati Uniti, Fuji Electric e Toshiba Fuel Cell Power Systems in Giappone


Celle a carbonati fusi (MCFC)


Anodo Nichel-Cromo o Ni-Alluminio; area superficiale 0,1-1 m2/g; spessore 0,2-0,5 mm

Catodo NiO litiato-MgO, area superficiale 0,5 m2/g; spessore 0,5-1 mm

Elettrolita Li2CO3 - K2CO3 62-38% o Li2CO3 –Na2CO3 60-40%; spessore 0,5-1 mm

Supporto elettrolita Matrice di -LiAlO2 o -LiAlO2; area superficiale 0,1-12m2/g; spessore 0,5-1 mm

Piatti bipolari Leghe metalliche (Incoloy 825, acciaio 310S o 316) con rivestimenti protettivi

Temperatura 600-650°C

VANTAGGI

Alta efficienza

Disponibilità di calore ad alta temperatura per usi in cogenerazione e trigenerazione

Possibilità di reforming interno

NECESSITÀ DI R&S

Sviluppo di componenti di cella (elettrodi e piatti bipolari) più stabili nelle condizioni di funzionamento della cella

Studio dei meccanismi di avvelenamento della cella da parte di contaminanti presenti nel gas di alimentazione

Ottimizzazione dell’ingegneria dell’impianto e sviluppo di componenti ottimizzati dal punto di vista delle dimensioni e delle prestazioni


Celle a carbonati fusi (MCFC)

Efficienza: 45-55%Combustibile: idrocarburi riformati, biogas, gas da carboneReforming del combustibile: interno / esterno


Impianti per generazione di energia e cogenerazione fino a 3 MW

In sviluppo sistemi multi-MW


In esercizio impianti da 250 kW, 1,2 MW e 2,4 MW alimentati con diversi combustibili (gas naturale e biogas) in Nord America,Giappone, Corea ed Europa

Sistemi ibridi MCFC/turbina a gas (potenza < 300 kW) dimostrati in Stati Uniti, Giappone Italia

Costruttori

Fuel Cell Energy e GenCell negli Stati Uniti; CFC Solutions e Ansaldo Fuel Cells in Europa; Ishikawajima_Harima Heavy Industriese Maruben in Giappone; KEPCO in collaborazione con Posco Power in Corea



Sistemi MCFC - Applicazioni stazionarie

9.772

8.259

6.254

4.800 3.840

4.300

3.440

20.000

3.250

0

5.000

10.000

15.000

20.000

25.000

1996-97 2003 2004 2005 2006 2007 2008

$/k

W

< MW 1,2 MW 2,4 MW

Costi ottenuti nel 2006 su unità DFC 3000 da 2.4 MW

Progressi nella riduzione dei costi

Tecnologia FuelCell Energy


Celle ad ossidi solidi (SOFC)


Anodo Cermet Ni-ZrO2; spessore 150 m porosità 20 - 40 %.

Catodo La(Sr)MnO3; spessore 2 mm; porosità 30-40 %

Elettrolita ZrO2(Y2O3) ; spessore 30-40 m

Interconnessione La(Mg)CrO3; spessore 100 m

Temperatura 900-1000°C

VANTAGGI

Alta efficenza

Possilità di reforming interno

Disponibilità di calore ad alta temperatura per cogenerazione e trigenerazione

NECESSITÀ DI R&S

Sviluppo di componenti di cella con maggiore stabilità nelle condizioni di funzionamento e resistenza ai cicli termici

Sviluppo di celle a minore temperatura (600-800°C)

Studio dei meccanismi di avvelenamento da parte di contaminanti presenti nel gas di alimentazione

Sviluppo dell’ingegneria di stack e di sistema


Celle a ossidi solidi (SOFC)

Efficienza: 45-60 %,

Combustibile: idrocarburi, gas da carbone

Reforming del combustibile: interno / esterno


Impianti per cogenerazione fino a 220 kW

Sistemi per usi residenziali di potenza < 5 kW

Generatori portatili < 1 kW


Programma SECA (Solid State Energy Conversion Alliance, USA): sviluppo di sistemi di potenza 3-10 kW

Progetti NEDO (Giappone): dimostrazioni di sistemi per usi residenziali (2007: 32 unità CHP da 700 W - 2 kW)

Operativi diversi sistemi di potenza < 5 kW e impianti per cogenerazione di potenza fino a 220 kW


Siemens Power Generations, Acumentrics, Ceramics Fuel Cells, Hexis AG, Kyocera/Osaka Gas, Mitsubishi Heavy Industries,Mitsubishi Materials/Kansai Electric Power Co., Tokyo Gas, VersaPower, Wärtsilä Corp., SOFCPower


Celle a metanolo diretto (DMFC)


Anodo Elettrodi di carbone con catalizzatore a base di Pt/Ru (2-4 mg/cm2)

Catodo Elettrodi di carbone con catalizzatore a base di Pt (2-4 mg/cm2)

Elettrolita Membrana solfonica perfluorurata

Piatti bipolari Grafite

Temperatura 70- 100°C

VANTAGGI

Bassa temperatura operativa

Uso diretto del combustibile

NECESSITÀ DI R&S

Sviluppo di elettrocatalizzatori per l’ossidazione elettrochimica del metanolo

Studio di nuove membrane in grado di funzionare a T> 100°C

Studio del decadimento delle prestazioni di cella legato agli effetti dovuti al trasporto del metanolo attraverso l’elettrolita (crossover)

Miniaturizzazione del sistema ed alimentazione


Celle a metanolo diretto (DMFC)

Efficienza: 35-40 %

Combustibile: metanolo


In sviluppo sistemi per elettronica di consumo e usi militari < 100 W

Prototipi di generatori portatili per usi civili < 2 kW


Programma DoE (USA): Sviluppo di sistemi per applicazioni nell’elettronica di

consumo (<50 W)

Sviluppo e dimostrazione sul campo di dispositivi portatili per usi militari

Principali costruttoriMesoscopic Devices, MTI MicroFuel Cells, Neah Power Systems e Ultracell negli USA,Smart Fuel Cells in Europa, Hitachi, Motorola Labs, NEC, Sanyo Electric e Toshibain Giappone e Samsung Advanced Institute of Technology in Corea

0

5000

10000

15000

20000

25000

2005 2006 2007 2008

Nord AmericaEuropaAsiaResto del Mondo

0%

20%

40%

60%

80%

100%

2005 2006 2007

PEFC

DMFC

Sistemi portatili


Indice







Sviluppo celle a combustibileNumero di unità consegnate per applicazione ed area geografica

0

5000

10000

15000

20000

25000

30000

35000

2005 2006 2007 2008 2009

Sistemi stazionari

Nord America Europa Asia Resto del Mondo

0

2000

4000

6000

8000

10000

12000

14000

16000

2005 2006 2007 2008 2009

Sistemi per trasporto

Nord America Europa Asia Resto del Mondo

Fonte: Fuel Cell Today, Industry Review2008


Sviluppo celle a combustibileSistemi per applicazioni stazionaria per tipologia di cella

Fonte: Fuel Cell Today, Industry Review2008

100%

80%

60%

40%

20%

0%

2003 2004 2005 2006 2007

PEFC

SOFC

AFC

Sistemi < 10 kW

80%

60%

40%

20%

0%2003 2004 2005 2006 2007 2008

MCFC PAFC PEFC SOFC

Sistemi >10 kW


Scenari idrogeno al 2050

Sorgente energia

primaria

Steam reforming di piccola taglia ed elettrolisi

Sistemi CHP industriali alimentati principalmente con gas naturale o syngas

Processo di

conversione

Combustibili fossili

Gassificazione del carbone (con CCS)

On-site

Centralizzato

Rinnovabili (principalmente biomasse ed eolico) ed EE da nucleare

Elettrolisi di grossa taglia (con EE da eolico e nucleare)

Gassificazione delle biomasse (con CCS)

Facility distribuite (reti idrogeno locali)

Trasporto

Reti di distribuzione integrate (centralizzate-distribuite)

Trasporto su strada e ferrovia

Stazionario

Veicoli a idrogeno a celle a combustibile

Veicoli a idrogeno ibridiVeicoli a idrogeno con motore a combustione interna

Distribuzione

Utilizzo

Sistema di produzione

2020 2030 2040 2050Fonte: Road2HyCom, Sett. 2007


Indice







UNIONE EUROPEA

7 Programma Quadro

Fuel Cell and Hydrogen Joint Undertaking (FCH JU)

Finanz. pubblico: 6FP (2002-2006) ~ 315 M€

FCH JU (2008-20013) ~ 470 M€

USA

DoE Hydrogen Program

• EERE Office - Hydrogen, Fuel Cells & Infrastructure

Technologies Program

• Office of Fossil Energy - Hydrogen from Coal –

- Solid State Energy Conversion Alliance Program

• Office of Nuclear Energy - Nuclear Hydrogen

• Office of Science - Basic Research Needs for the Hydrogen

Economy

California Fuel Cell Partnership

Finanz. pubblico: DoE (2004-2008) ~ 900 M€

DoE FY 2009 (ricjhiesta) ~ 210 M€

GIAPPONE

Hydrogen and Fuel Cells R&D – METI Program

METI-NEF • Sviluppo tecnologie di produzione, distribuzione ed

accumulo H2 production

• Dimostrazione sistemi a celle a combustibile per usi

residenziali

METI - JARI and ENAA• Japan Hydrogen & Fuel Cell Demonstration Project

Finanz. pubblico: METI (2001-2008) ~ 1800 M€

FY 2009 (request) ~ 230 M€

ITALIA

FISR Program (2005-2009) - Tecnologie H2 e

celle a combustibile

• Programma Industria 2015

Finanz. pubblico: FISR (2005-2009) ~ 90 M€

Industria 2015 ~ 30 M€

COREA

Hydrogen and Fuel Cell RD&D (MOCIE, 2004-2008)

21st Frontier Hydrogen Energy R&D Program

(MOST, 2003-2013)

Finanz. Pubblico: MOCIE 420 M€

MOST 75 M€

NATIONAL RD&D ORGANIZATION

for HYDROGEN AND FUELCELL

CINA

863 Program (MOST) – Idrogeno e celle a

combustibile

973 Program (MOST) - Ricerca di base su

H2 e celle a combustibile

Finanz. pubblico: 973 Program ~ 5 M€ (2000-2008)

Idrogeno e Celle a CombustibileSituazione internazionale

REGNO UNITO

Diversi progetti a livello nazionale e regionale

• Hydrogen, Fuel Cells and Carbon Abatement

Technologies Demonstration Program (2007-2010)

Finanz. pubblico: 2005-2007 ~ 39 M€

CANADA

Hydrogen and Fuel Cell R,D&D

Finanz. pubblico: ~ 25 M€ /anno

FRANCIA

National Hydrogen and Fuel Cell Action Plan

(PAN-H, 2006-2010)

H2E Project (7 anni) ~ 68 M€

Finanz. pubblico: 2008 - 35 M€

GERMANIA

National Innovation Program

R&S idrogeno e celle a combustibile

Finanz. pubblico: 2007-2016 ~ 700 M€

http://images.google.com/imgres?imgurl=http://www.csr-news.it/blog/wp-content/uploads/2008/04/industria-2015.gif&imgrefurl=http://www.csr-news.it/index.php/2008/04/01/industria-2015-firmato-il-bando-sulla-mobilita-sostenibile/&usg=__h869fqwGbjn3m1VZdTzobR7FRZk=&h=130&w=500&sz=22&hl=it&start=1&um=1&tbnid=XDyfYaSIIvxEKM:&tbnh=34&tbnw=130&prev=/images?q=Industria+2015&um=1&hl=it&rls=com.microsoft:en-US&sa=N

http://www.miur.it/eurostudent/IMMAGINI/miur_b.bmp

http://english.mocie.go.kr/


Tematiche di R&D in diversi programmi relativi ad

idrogeno e celle a combustibile

Aree/Argomenti CE USA Giappone Germania Francia UK Italia

CE

LL

EA

CO

MB

US

TIB

ILE

PEFC ed applicazioni nel

trasporto

SOFC

MCFC

Materiali e componenti

(inclusi stack e fuel processor)

Ricerche su altre tecnologie di

cella

IDR

OG

EN

O

Produzione

Accumulo

Altre ricerche sull’idrogeno(incluse attività su sicurezza e

standard)

Livello di finanziamento Alto

(> 30 % dei finanziamenti totali

idrogeno/celle a combustibile)

Medio

(> 15 % dei finanziamenti totali


Limitato

(< 15 % dei finanziamenti totali



Programmi Idrogeno e Celle a Combustibile - USA e UEEvoluzione dei finanziamenti

157

222232

268281

268

0

50

100

150

200

250

300

2004 2005 2006 2007 2008 2009 (richiesta)

Mili

on

i di d

olla

ri

8

32

58

145

315

0

50

100

150

200

250

300

350

FP2 (1996-1990)

FP3 (1990-1994)

FP4 (1994-1998)

FP5 (1998- 2002)

FP6 (2002-2006)

Mili

on

i di E

uro

EUROPEANCOMMISSION

U.S. DoE


Obiettivi del

Programma Fuel Cells and Hydrogen Joint Undertaking (FCH JU)

VEICOLI A

IDROGENO E

STAZIONI DI

RIFORNIMENTO

2010 Fino a 10 veicoli, un sito dimostrativo con capacità di rifornimento per 50 veicoli

Fino a 20 autobus, 3 siti dimostrativi con adeguata capacità di rifornimento

2015 Fino a 500 veicoli e 3 siti dimostrativi con 3 tre nuove stazioni di rifornimento

Fino a 500 autobus su 10 siti EU con almeno 7 stazioni di rifornimento

Sistemi di propulsione di autovetture - Costo del sistema 100 €/kW, durata 5000 h

PRODUZIONE E

DISTRIBUZIONE

IDROGENO

2010 Adeguata disponibilità di catene di produzione idrogeno per soddisfare i requisiti

delle attività dimostrative

2015 Domanda di H2: 10-20 % , carbon-free

Costo H2 alla stazione di rifornimento < 5 €/kg (produzione centralizzata ed on-site,

escluse tasse)

GENERAZIONE

DI POTENZA

STAZIONARIA

E CHP

2010 Potenza elettrica installata 3-7 MW

2015 Potenza elettrica installata 100 MW

Costo 5000-6000 €/kW (Sistemi CHP) e 1500-2000 €/kW per sistemi

commerciali/industriali

CELLE A

COMBUSTIBILE PER

I PRIMI MERCATI

2010 10000 sistemi sul mercato, di cui 6000 nuove vendite

2015 50000 nuove unità sul mercato

“Snapshot 2020”vendite per anno

0.4-1.8 milioni di veicoli

a idrogeno

0.1-0.2 milioni di

sistemi CHP a celle a

combustibile

0.1 milioni di unità a

celle combustibile per

le prime applicazioni

250 milioni di

micro-FC


Finanziamenti FCH JU

FCH JURicerca

a lungo

termine

Ricerca e

sviluppo

tecnologico

Attività

dimostrative

Azioni di

supporto

TOTALE

M€

Trasporto e infrastrutture di rifornimento 20.0 27.0 107.8 (6.9) 154.8

Produzione e distribuzione idrogeno 13.4 13.9 13.6 (3.0) 40.9

Generazione di potenza stazionaria e CHP 24.5 78.4 64.8 (3.0) 167.7

Primi mercati 12.8 45.5 (7.6) 58.3

Attività trasversali 28.3 28.3

TOTALE, M€ 57.9 132.1 231.7 28.3+(20.5) 450.0

Trasporto & Infrastrutture di distribuzioe

35%

Produzione e distribuzione

idrogeno9%

Generazione di potenza

stazionaria & CHP37%

Primi Mercati13%

Attività trasversali

6%

Ricerca e sviluppo

tecnologico29%

Dimostrazione52%

Azioni di supporto

6%

Ricerca a lungo termine

13%

Tipo di impiego

Linee di attività


FCH JU - Partecipanti italiani

Ansaldo Fuel Cells

Centro Ricerche Fiat

Enel Produzione

Environment park

ILT Technology

Labor srl

SAPIO Produzione Idrogeno

Ossigeno

SOFCpower

Abruzzo

Lazio

Lombardia

Piemonte

Trentino

Alto Adige Università:

Torino

Bologna

Roma

Genova

Salerno

CNR

CESI-Ricerca

ENEA

Polit.Torino


Indice







Programmi nazionali per Idrogeno e Celle a Combustibile

PROGRAMMA NAZIONALE DI RICERCA “IDROGENO E CELLE A COMBUSTIBILE”

finanziato dal Ministero dell’Istruzione, Università e Ricerca e dal Ministero dell’Ambiente

attraverso il Fondo Integrativo Speciale per la Ricerca (FISR)

14 progetti (8 relativi all’idrogeno, 6 sulle celle a combustibile)

Finanziamento FISR : 90 M€

Valore totale dei progetti: 120 M€

Durata: 2005-2009

MINISTERO DELLO SVILUPPO ECONOMICO - RICERCA DI INTERESSE GENERALE PER IL SISTEMA ELETTRICO

Sviluppo di sistemi a celle a combustibile (PEFC, MCFC e SOFC) per applicazioni

stazionarie

Attività svolte presso ENEA, CNR-ITAE, Cesi Ricerca, FN e vari istituti universitari

Finanziamento MSE I ° ANNO (attività 2008) - 4,2 M€

II° ANNO (attività 2009) - 3,5 M€


Programmi nazionali per Idrogeno e Celle a Combustibile

PROGRAMMA INDUSTRIA 2015 finanziato dal Ministero dello Sviluppo Economico, nell’ambito dei Progetti di Innovazione Industriale

per la

EFFICIENZA ENERGETICA

MICROGEN 30 / ICI Caldaie – Sistema di microgenerazione con PEFC da 30 kW per applicazioni

residenziali

EFESO / Merloni Termosanitari – Microgeneratori 1-2.5 kW con SOFC

HYDROSTORE / Venezia Tecnologie – Studio e sviluppo di sistemi di accumulo (idruri metallici)

MOBILITÀ SOSTENIBILE

VISION /Fincantieri – Vaporetto per Venezia con sistema ibrido di generazione a celle a

combustibile alimentato a idrogeno

PBI (Piattaforma Bus innovativi) /Breda Menarinibus - Sistemi per la mobilità sicura ed integrata

fra veicoli ed infrastrutture per il trasporto di persone e/o merci

Finanziamento: 30,7M€

Valore totale dei progetti: circa 70 M€

Durata: 3 anni


Altre attività italiane su idrogeno e tecnologie relative

Sotacarbo – Produzione di idrogeno da carbone

Progetto FIAT CITY CAR HYDROGEN -

Realizzazione e dimostrazione di SEICENTO e PANDA

alimentate con celle a combustibile

Sistema Piemonte Idrogeno (SPH2) Sperimentazione delle tecnologie dell’idrogeno

Hydrogen Park (Porto Marghera) – Uso reflui H2 da impianti industriali;

applicazioni per cogenerazione e mezzi di trasporto

ENEL Fusina - Centrale alimentata con idrogeno da impianto petrolchimico

Progetto Vision (Fincantieri) – Vaporetto a Idrogeno

Milano Bicocca – Progetto integrato idrogeno – sperimentazione di sistemi alimentati a

idrogeno

Progetto Zero Regio– Infrastruttura per il riforminento di una miniflotta di vetture

alimentate a idrogeno (Panda Hydrogen)

Progetto miscele metano/idrogeno – Sperimentazioni di 20 veicoli sperimentali, 2

stazioni di rifornimento

Attività di R,S& D sulle tecnologie dell’idrogeno e sulle celle a combustibile sono in corso presso

ENEA, Cesi Ricerca, CIRPS, ENEL, Enitecnologie, Envipark, CNR ed istituti universitari

Progetto Arezzo – Rete di distribuzione H2 per il

distretto orafo ed utilizzo in celle a combustibile

Progetto MultiEnergy - Stazione di rifornimento

idrogeno Collesalvetti

Progetto Filiera Idrogeno (Pontech di Pontedera

ed Università) – Progetto integrato (produzione,

accumulo e distribuzione idrogeno) HyChain – Dimostrazione di veicoli a idrogeno

Neo Project – Sviluppo di veicoli leggeri a idrogeno

e delle infrastrutture necessarie al suo uso

Progetto miscele metano/idrogeno (Forli, Ravenna)-

Sperimentazione autobus per servizio pubblico Civitavecchia – Realizzazione di una stazione di rifornimento

per miniflotta autobus / H2 prodotto da rinnovabili

Benevento – Sviluppo e dimostrazione di veicoli a idrogeno

(van e scooter a celle a combustibile)

Messina (Progetto Mata&Grifone) – Sviluppo di prototipi di midi-bus e mini-van a celle a comb.

Messina (Progetto Giano) - Minicar con celle a combustibile per piccole isole

Progetto EasyHy (CEA Bellini, Penne) -

Idrogeno prodotto da rinnovabili impiegato in

PEFC da 5 kW

Progetto Regionale - Rete di distribuzione di

idrogeno prodotto da rinnovabili



Situazione industriale italiana

► Sistemi CHP da 1-5 kW a idrogeno e gas

naturale

► Sviluppo di stack PEFC e sistemi integrati

(500 W - 30kW) per generazione stazionaria ,

portatile e per trasporto

► Unità UPS 3-7 kW

a idrogeno

► Sistemi di microcogenerazione

di piccola-media taglia (30 kW)

alimentati a gas naturale

(SIDERA 30 sviluppato in

collaborazione con Exergy Fuel

Cells)

http://images.google.com/imgres?imgurl=http://www.cescartt.it/docs/ICI 3d.jpg&imgrefurl=http://www.cescartt.it/default.asp?modulo=catalogo&idazienda=22&h=206&w=205&sz=14&hl=it&start=1&um=1&usg=__hrihKRAGChwnNLY6xDhVOqtSENs=&tbnid=eT0J0VRyKSUMuM:&tbnh=105&tbnw=104&prev=/images?q=ICIcaldaie&um=1&hl=it&rls=GGLD,GGLD:2008-30,GGLD:it



Situazione industriale italiana

Dimostrazione di impianti

SOFC ( 5 e 100 kW

Siemens) a gas naturale

(in collaborazione con il

Politecnico di Torino ed

EnviPark)

Sistemi micro CHP 1 kWe

(collaborazione con

Acumentrics, tecnologia

tubolare)

Sviluppo prodotti HoTboxTM

Stack 100 W - 1 kW

(acquisizione della HTceramix)

Sviluppo di stack, processi e componenti del BoP

Sviluppo di unità dimostrative per generazione

distribuita (da 125 kW a qualche MW)


Veicoli a celle a combustibile

Programmi Gruppo FIAT

FC Cityclass Torino FC Cityclass Madrid

2002 2006

Ibrido FC Europolis

Seicento FC APU Panda

2000 2004

Seicento Hydrogen

SIS

TE

MA

CE

LL

E A

CO

MB

.

Sistema FC

APUSistema FC II generazione Sistema FC

full power

Flotte Panda

Sistema FC III

generazione

AU

TO

BU

SA

uto

vett

ure

Anni

City delivery van

CENTRORICERCHEFIAT


Idrogeno e Celle a Combustibile: Attività ENEA

Produzione idrogeno Combustibili fossili (GN, Carbone) e fonti

rinnovabili (solare termico, biomasse)

Accumulo idrogenoIdruri metallici, sodioboroidruro

Utilizzo idrogenoCelle a combustibile e cicli termici avanzati

Analisi di fattibilità e valutazioni tecnico-economiche vengono condotte

a livello nazionale e nell’ambito di collaborazioni internazionali


PRODUZIONE DA ENERGIA SOLARE

R&S di processi di produzione di idrogeno

mediante cicli termochimici

Processo zolfo-iodio

Processo ferrite di manganese

Produzione di idrogeno

PRODUZIONE DA BIOMASSE

Produzione di un gas ricco di idrogeno

attraverso gassificazione

(Tecnologia a letto fluido ricircolante)

Sviluppo di processi biologici (alghe, processi fermentativi)

PRODUZIONE DA FONTI FOSSILI ED

UTILIZZO IN CICLI TERMICI

Gassificazione del

carbone per produzione

combinata di energia

elettrica ed idrogeno,

con emissioni zero

H2SO4 HI

I2

SO2

H2O O2

2H2O + SO2 + I2 →

H2SO4+ 2HI

2HI → H2 + I2

200-700°C

H2SO4 → H2O+ SO2 + ½O2

850 °C

100°C

Calore


Accumulo idrogeno

PRODUZIONE DA ENERGIA SOLARE

R&S di processi per la

produzione di idrogeno

con sistemi solari a

concentrazione

PRODUZIONE DA FONTI FOSSILI ED

UTILIZZO IN CICLI TERMICI AVANZATI

Processo zolfo-iodio

Processo ferriti miste

PRODUZIONE DA BIOMASSE

Produzione di gas ricco in idrogeno, mediante impianto di gassificazione a letto fluido ricircolato

Sviluppo processi biologici

Ciclo integrato di produzione di idrogeno ed energia elettrica da carbone ad emissioni zero

Idruri chimici per usi speciali ed applicazioni

portatili

Idruri metallici

Finanziamenti MIUR - Progetti FISR

Collaborazione con il Ministero della Difesa

MSE – Industria 2015

Sintesi e caratterizzazione di materiali compositi e

nanocompositi (a base di Mg)

H2 Idruro metallico

Studio di materiali e processi (NaBH4)

Progettazione e realizzazione di prototipi da

laboratorio



Celle ad elettrolita polimerico• Sviluppo di materiali e componenti di cella innovativi

(catalizzatori, membrane, elettrodi, piatti bipolari)

• Realizzazione e prova di sistemi di potenza < 5 kW

• Sviluppo di sistemi di generazione di idrogeno da diversi

combustibili (NG, GPL) da integrare con PEFC

Celle a carbonati fusi• Sviluppo di materiali e componenti di cella innovativi

(elettrodi, piatti bipolari; in collaborazione con FN)

• Sviluppo di sistemi alimentati a biogas

• Sperimentazione di sistemi ibridi cella/turbina e di sistemi

alimentati con biomasse

Celle ad ossidi solidi• Studio componenti di cella e messa a punto del processo

produttivo (in collaborazione con FN)

• Test in monocella per sviluppo di materiali innovativi

FINANZIAMENTI

• MIUR - Progetti FISR

• ADP MSE/ENEA - CERSE

• MSE – Industria 2015 (MICROGEN 30 ed EFESO)

• Progetti UE - FP6

(FCTESQA e FCTEDI)


Utilizzo dell’idrogeno

Caratterizzazione di un motore a combustione interna

alimentato con HCNG a diverso contenuto di idrogeno

HCNG (Miscele metano -idrogeno)

Distribuzione idrogeno

Realizzazione di una mini-rete a idrogeno

presso il C.R .ENEA di Brasimone

Progetto cofinanziato dalla Regione Emilia Romagna

Caratterizzazione su banco prova di un motore a

combustione interna (IVECO Daily) alimentato con miscele

a diverso contenuto di idrogeno

Sperimentazione di autobus (BredaMenarinibus) delle

aziende di trasporto di Forlì e Ravenna, alimentati con

miscele dal 5 al 25% di idrogeno. Valutazione della qualità

delle emissioni, dei rendimenti e delle prestazioni del

mezzo

Veicoli a miscele metano/idrogeno (HCNG)


Ulteriori informazioni sul tema delle celle a combustibile

ed argomenti correlati possono essere tratte dal

documento:

Celle a combustibile - Stato di sviluppo

e prospettive della tecnologia

Modulo di richiesta sul sito ENEA all’indirizzo:

http://www.enea.it/produzione_scientifica/edizioni_anno/

2008.html


3rd European Fuel Cell Technology &

Application Conference 2009

Roma, 15-18 dicembre 2009

http://www.asmeconferences.org/EFC09/index.cfm

idrogeno e celle a combustibile - brindisi.enea.it · elettrolisi processi ad alta t processi...

Documents