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fpvSOLARE TERMOELETTRICO – CENNI

Un sistema solare termoelettrico consente di produrre elettricitàtermoelettrica utilizzando un ciclo termodinamicoconvenzionale alimentato dal calore proveniente dallaconcentrazione della radiazione solare. La concentrazione puòessere ottenuta mediante la riflessione della luce solare da partedi numerosi specchi piani orientati in modo da far convergere iraggi tutti in uno stesso punto, dove è collocato il ricevitore termico,sostenuto da un’alta torre centrale. Il fluido primario che circolanel ricevitore viene scaldato a temperature che possono superareanche i 1000 °C, in dipendenza dal grado di concentrazionedell’impianto. Il fluido primario trasferisce il calore tramite unoscambiatore ad un fluido secondario che alimenta il ciclotermoelettrico finale, costituito dall’usuale gruppo turbina-alternatore. Questa tecnologia viene detta CRS (Central ReceiverSystem) ed ha dimostrato di possedere, in impianti di tagliadell’ordine di 10 MWe, un efficienza totale, dalla radiazione solareall’elettricità immessa in rete, tra l’8% ed il 12%.

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Rappresentazione schematica dell’impiantosolare termoelettrico CRS

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fpvSOLARE TERMOELETTRICO

La concentrazione della radiazione solare può essereottenuta anche mediante superfici cilindriche concave aprofilo di parabola, dette paraboloidi lineari. Il fluidoprimario scorre nella linea focale, dove esso si riscalda atemperature intorno ai 500 °C. Tutto il ciclo termoelettricosuccessivo è analogo al precedente e l’efficienza totalenetta ottenuta nei grossi impianti industriali si aggiranell’intervallo tra il 10% e il 12%. Questa tecnologia vienedetta DCS (Distributed Collector System).

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Schema della tecnica a concentratori linearidistribuiti (DCS)

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SOLARETERMODINAMICO

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ENERGIA DA BIOMASSE• La biomassa utilizzabile ai fini energetici consiste in tutti

quei materiali organici che possono essere trasformati incombustibili solidi, liquidi o gassosi. Essa è costituita dallamateria organica, prevalentemente vegetale, sia spontaneache coltivata dall’uomo, prodotta per effetto del processo difotosintesi clorofilliana con l’apporto: dell’energia associataalla radiazione solare, di acqua e di svariate sostanzenutritive

• Forma sofisticata di accumulo dell’energia solare. Questa,infatti, consente alle piante di convertire la CO2 atmosfericain materia organica, tramite il processo di fotosintesi. Inquesto modo vengono fissate circa 2·1011 tonnellate dicarbonio all’anno, con un contenuto energetico dell’ordine di70·103 Mtoe ( 1 toe -Tonn of Oil Equivalent- corrisponde a 44,7·109 J)

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COSA SONO LE BIOMASSE

Le biomasse possono, quindi, essere costituite da: residui dellecoltivazioni destinate all’alimentazione umana o animale (paglia dicereali, residui di potatura, etc.), o piante espressamente coltivate perscopi energetici ed alimentari insieme (foreste a corta rotazione, colturealcoligene e oleaginose, piante zuccherine, piante ricche di amidi, etc.).Altri importanti fonti di biomassa sono: residui dal campo forestale,scarti di attività industriali come i trucioli di legno, scarti delle aziendezootecniche o i rifiuti urbani

La biomassa è ampiamente disponibile ovunque e rappresenta unarisorsa locale, pulita e rinnovabile. L’utilizzazione delle biomasse perfini energetici non contribuisce all’effetto serra, poiché la quantità dianidride carbonica rilasciata durante la decomposizione, sia che essaavvenga naturalmente, sia per effetto della conversione energetica, èequivalente a quella assorbita durante la crescita della biomassa stessa;non vi è, quindi, alcun contributo netto all’aumento del livello di CO2nell’atmosfera

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QUALI BIOMASSEBIOMASSE PER TERMOELETTRICO

• La coltivazione di piante legnose a rapida crescita, come il pioppo, ilsalice, la robinia, ecc., può essere utilizzata per produrre sostanza seccacombustibile da utilizzare in impianti termoelettrici

• Allo stesso modo possono essere utilizzati per questo scopo gli scarti ditutte le lavorazioni agricole e boschive (paglia, fusti e residui del mais,potature dei frutteti, residui del taglio dei cedui, ecc) e industriali(segatura e scarti di lavorazione dei mobili, gusci delle nocciole, ecc.)

• Le taglia tipiche degli impianti oggi più convenienti si aggirano intorno apotenze tra 10 e 20 MWe

E’ evidente che durante la combustione viene generata ed emessaanidride carbonica. Tuttavia la sua quantità corrisponde a quella che lepiante avevano sottratto all’atmosfera durante la loro crescita, cosicché ilbilancio totale è nullo

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QUALI BIOMASSE

BIOMASSE PER BIOCOMBUSTIBILI• Si tratta delle coltivazioni intensive di piante da semi oleaginosi, come la colza e il

girasole, o di piante da frumento e da zucchero per la produzione di amido e di glucosio,come l’orzo, il mais, il grano o la canna da zucchero e la barbabietola. La fermentazionedell’amido e degli zuccheri permette di produrre alcool etilico che può essere usato comecombustibile. Analogamente, l’olio estratto dai semi di cui sopra può essere sottoposto alprocesso di esterificazione in modo da produrre il cosiddetto biodiesel. Entrambi i tipi diproduzione sono stati ampiamente sperimentati e le colture energetiche stanno entrandoanche in Italia nella pratica agricola industriale. Il biodiesel è attualmente prodotto evenduto in Italia in quantitativi contingentati da parte dello Stato, ciò perché lenecessarie misure di incentivazione vanno a incidere come riduzione delle accise suicombustibili fossili.

• Questo particolare settore delle biomasse può rappresentare, dal punto di vistaconcettuale, un utile strumento di approccio strategico da adottare per accelerare lapenetrazione delle altre fonti rinnovabili nel mercato dell’energia. Infatti, i biocombustibilisono la prova evidente della possibilità concreta da parte dell’energia solare di penetrarenel settore dei trasporti, dove si combatterà la battaglia decisiva contro l’inquinamento.

• In altri termini, si dimostra che l’energia solare può essere convertita ed accumulatasotto forma di energia chimica dei biocombustibili e successivamente vettoriata evenduta nel mercato degli idrocarburi, allo stesso modo dei derivati dal petrolio. E’ chiaroche, se le altre fonti rinnovabili, che producono solo elettricità, vorranno avere successo,dovranno seguire necessariamente questo modello, in modo da proporsi seriamente comealternativa al petrolio.

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Potenziale e Costi

• il potenziale italiano teorico da biomasse, escludendo coltivazionidedicate, è valutato in circa 27 Mtoe, valore che è da confrontarecol fabbisogno energetico complessivo dell'Italia, che è di circa 185Mtoe.

• La superficie dei terreni marginali abbandonati dall'agricolturatradizionale nel corso degli ultimi nell'Italia meridionale ammontaa più di 20.000 Kmq: tali aree potrebbero essere riqualificate allaproduzione di reddito energetico, destinandole a coltivazione dibiomasse da utilizzare per la produzione di energia

• Un’idea dei costi connessi a questa fonte rinnovabile di energia: icosti medi d’impianto vanno da 1.500 a 2.500 /kWe ; da cui uncosto dell’energia che va da 0,08 a 1,4 / kWh (il costo del kWh dafonti fossili è dell’ordine dei 0,04 )

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Come trarre energia dalle biomasseLe biomasse, a seconda del tipo e della composizione, possono

essere bruciate per fornire calore, convertite in combustibile(metano, etanolo, metanolo, prodotti carboniosi) mediantel’impiego di microrganismi oppure dell’azione di elevatetemperature o di agenti chimici, oppure direttamente usate per lagenerazione di energia elettrica. Un interessante tipo dicombustibile derivato da biomassa è, poi, il biodiesel, utile peralimentare i motori diesel appunto

processi di conversione• biochimici (digestione anaerobica, fermentazione alcolica,

digestione aerobica)• termochimici (combustione diretta, gassificazione, pirolisi,

carbonizzazione, estrazione di oli vegetali, a seconda deicontenuti in carbonio e azoto (rapporto C/N) e dell'umiditàpresente nella materia organica da trattare

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I processi di conversione biochimica

• permettono di ricavare energia per reazione chimica dovuta alcontributo di enzimi, funghi e micro-organismi, che siformano nella biomassa sotto particolari condizioni

• vengono impiegati per quelle biomasse in cui il rapporto C/Nsia inferiore a 30 e l'umidità alla raccolta superiore al 30%.Risultano idonei alla conversione biochimica le coltureacquatiche, alcuni sottoprodotti colturali (foglie e steli dibarbabietola, ortive, patata, ecc.), i reflui zootecnici e alcuniscarti di lavorazione (borlande acqua di vegetazione, ecc.),nonché la biomassa eterogenea immagazzinata nelle discarichecontrollate

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I processi di conversione termochimica

• sono basati sull'azione del calore che permette le reazionichimiche necessarie a trasformare la materia in energia e sonoutilizzabili per i prodotti ed i residui cellulosici e legnosi in cuiil rapporto C/N abbia valori superiori a 30 ed il contenuto diumidità non superi il 30%

• Le biomasse più adatte a subire processi di conversionetermochimica sono: la legna e tutti i suoi derivati (segatura,trucioli, ecc.), i più comuni sottoprodotti colturali di tipoligno-cellulosico (paglia di cereali, residui di potatura della vitee dei fruttiferi, ecc.) e taluni scarti di lavorazione (lolla, pula,gusci, noccioli, ecc.)

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fpvLE TECNOLOGIE La digestione anaerobica

• è un processo di conversione di tipo biochimico, consistente nellademolizione, ad opera di micro-organismi, di sostanze organiche complesse(lipidi, protidi, glucidi) contenute nei vegetali e nei sottoprodotti di origineanimale, che produce un gas (biogas) costituito per il 50÷70% da metano e perla restante parte soprattutto da CO2 ed avente un potere calorifico mediodell'ordine di 23.000 kJ/Nm3. Il biogas così prodotto viene raccolto, essiccato,compresso ed immagazzinato e può essere utilizzato come combustibile peralimentare veicoli a gas o caldaie a gas, ovvero per produrre calore e/o energiaelettrica

• gli impianti a digestione anaerobica possono essere alimentati medianteresidui ad alto contenuto di umidità, quali deiezioni animali, reflui civili,rifiuti alimentari e frazione organica dei rifiuti solidi urbani. Da ciò si deduceche, oltre alla produzione di biogas come prodotto e di fertilizzante comeeffluente, tale processo offre vantaggi in termini di gestione e smaltimento deirifiuti, permettendo di eliminare dalle discariche i rifiuti organici,potenzialmente pericolosi a causa delle emissioni liquide e gassose, cheproducono durante la loro decomposizione, suscettibili di inquinare l’aria,l’acqua, il suolo

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fpvLE TECNOLOGIE La fermentazione alcolica

• è un processo, di tipo micro-aerofilo, di trasformazione in etanolodei glucidi contenuti nelle produzioni vegetali

• Un miglior compromesso tra prezzo, disponibilità e prestazioni èrappresentato da un derivato dell’etanolo, l’ETBE(EtilTertioButilEtere), ottenuto combinando un idrocarburopetrolifero (l’isobutene) e l’etanolo

• l’etanolo e l’ETBE sono utilizzabili anche nei motori a combustioneinterna in alternativa al gasolio

• il bioetanolo viene oggi prodotto in quantità industriale per essereutilizzato come carburante in Brasile e negli USA. Vari programmidi ricerca e sviluppo sono portati avanti in Germania, Italia eSvezia e Francia

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fpvLE TECNOLOGIE La Digestione aerobica e la Carbonizzazione

• il processo di digestione aerobica consiste nella metabolizzazione delle sostanzeorganiche per opera di micro-organismi, il cui sviluppo è condizionato dallapresenza di ossigeno. Questi batteri convertono sostanze complesse in altre piùsemplici, liberando CO2 e H2O e producendo un elevato riscaldamento delsubstrato, proporzionale alla loro attività metabolica. Il calore prodotto puòessere così trasferito all’esterno, mediante scambiatori a fluido

• In Europa viene utilizzato (soprattutto in Germania, dove sono imposti stringentinorme circa la distruzione delle sostanze patogene) il processo di digestioneaerobica termofila autoriscaldata (Autoheated Termophilic Aerobic Digestion)per il trattamento delle acque di scarico; più recentemente tale tecnologia si èdiffusa anche in Canada e Stati Uniti

• La carbonizzazione è un processo di tipo termochimico che consente latrasformazione delle molecole strutturate dei prodotti legnosi e cellulosici incarbone (carbone di legna o carbone vegetale), ottenuta mediante l’eliminazionedell’acqua e delle sostanze volatili dalla materia vegetale, per azione del calorenelle carbonaie, all’aperto, o in storte, che offrono una maggior resa in carbone

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fpvLE TECNOLOGIE La Gassificazione

• consiste nell'ossidazione incompleta di una sostanza in ambiente ad elevatatemperatura (900÷1.000°C) per la produzione di un gas combustibile (detto gasdi gasogeno) di basso potere calorifico inferiore, variabile tra i 4.000 kJ/Nm3

(1/8 circa del metano), nel caso più diffuso dei gassificatoli ad aria, ed i 14.000kJ/Nm3, nel caso dei gassificatori ad ossigeno. Valori intermedi (10.000 kJ/Nm3)si ottengono nel caso di gassificatori a vapor d’acqua.

• I problemi connessi a questa tecnologia, ancora in fase di sperimentazione, siincontrano a valle del processo di gassificazione e sono legati principalmente alsuo basso potere calorifico ed alle impurità presenti nel gas (polveri, catrami emetalli pesanti) e all’alta nocività dei gas prodotti. Inoltre i gassificatoririchiedono una caratterizzazione estremamente precisa della biomassa intermini di qualità, pezzatura ed umidità relativa, con notevole aumento dei costidi preparazione del combustibile.

• I gas possono essere utilizzati per la produzione di calore in normali boilers oper alimentare direttamente motori alternativi (ciclo Otto o Diesel) o turbine agas

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fpvLE TECNOLOGIE Il Metanolo

• L’utilizzazione del gas di gasogeno quale vettore energeticopone alcune limitazioni legate essenzialmente ai problemiconnessi con il suo immagazzinamento e trasporto, che risultanoeccessivamente costosi per rapporto al basso contenutoenergetico per unità di volume

• Tali inconvenienti possono essere superati, trasformando il gasin alcool metilico (CH3OH), che può essere agevolmenteutilizzato per l’azionamento di motori.

• Il metanolo, caratterizzato da un potere calorifico inferioredell’ordine di 21.000 kJ/kg, può essere successivamente raffinatoper ottenere benzina sintetica, con potere calorifico analogo aquello delle benzine tradizionali.

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fpvLE TECNOLOGIE La pirolisi

• è un processo di decomposizione termochimica di materiali organici, ottenutomediante l’applicazione di calore, a temperature comprese tra 400 e 800°C incompleta assenza di un agente ossidante oppure con una ridottissima quantitàdi ossigeno (in quest’ultimo caso il processo può essere descritto come unaparziale gassificazione).

• I prodotti della pirolisi sono sia gassosi, sia liquidi, sia solidi, in proporzioni chedipendono dai metodi di pirolisi (pirolisi veloce, lenta, o convenzionale) e daiparametri di reazione.

• La produzione dell’olio da pirolisi veloce rappresenta, tra le diverse tecnologie,quella al momento attuale prevalentemente adottata, in considerazione deivantaggi presenti in tutte le fasi di trattamento, trasporto e stoccaggio.

• Tuttavia vi sono ancora molti aspetti del processo largamente empirici esaranno necessari ulteriori studi per migliorare le caratteristiche del prodottoed aumentare la taglia degli impianti.

• Uno dei maggiori problemi legati alla produzione di energia basata sui prodottidella pirolisi è proprio la qualità di detti prodotti, che non ha ancora raggiuntoun livello sufficientemente adeguato con riferimento alle applicazioni, sia conturbine a gas sia con motori diesel.

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fpvLE TECNOLOGIE La combustione diretta

• La combustione viene generalmente attuata in apparecchiature (caldaie) in cuiavviene anche lo scambio di calore tra i gas di combustione ed i fluidi diprocesso (acqua, olio diatermico, ecc.)

• La combustione di prodotti e residui agricoli si attua con buoni rendimenti, se siutilizzano come combustibili sostanze ricche di glucidi strutturati (cellulosa elignina) e con contenuti di acqua inferiori al 35%. I prodotti utilizzabili a talescopo sono: legname; paglie di cereali; residui di raccolta di legumi secchi, dipiante oleaginose (ricino, catramo, ecc.) e di piante da fibra tessile (cotone,canapa, ecc.); residui legnosi di potatura di piante da frutto e di piante forestali;residui delle industrie agrarie; ecc.

• I sistemi di combustione possono essere: caldaie a griglia e caldaie a letto fluido.Le prime, più diffuse, godono di notevoli vantaggi in termini di semplicità,economicità ed affidabilità di funzionamento; possono essere alimentate conbiomasse di diversa tipologia e con diversa umidità; presentano rendimentiaccettabili (70÷80%) anche se richiedono eccessi d’aria piuttosto elevati (75÷80%)per una completa combustione. Le caldaie a letto fluido rappresentano, invece,una tecnologia più sofisticata e dispendiosa che sta ricevendo, però, notevoliattenzioni in quanto permette il conseguimento di numerosi vantaggi quali lariduzione degli inquinanti e l’elevato rendimento di combustione.

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fpvLE TECNOLOGIEEstrazione di oli e produzione di biodiesel

• Gli oli vegetali possono essere estratti da piante oleaginose quali soia, colza,girasole, ecc. (in Europa colza e girasole)

• Gli oli possono essere utilizzati come combustibili nello stato in cui vengonoestratti oppure dopo esterificazione, ed il loro utilizzo desta notevole interesse,sia per la disponibilità di tecnologie semplici di trasformazione ed utilizzazione,sia perché consentono bilanci energetici accettabili

• Gli olii sono già stati impiegati come carburanti nei motori diesel, ma con diversiinconvenienti (deposito sugli iniettori, usura delle parti metalliche, gelificazionedegli oli nei carter, produzione di elevata fumosità, aumento del consumo neltempo): l’uso degli oli tal quali esige, dunque, una messa a punto particolare edun impianto di alimentazione specifico.

• Queste esigenze si attenuano, o spariscono, se l’olio viene trasformato in esteremetilico o etilico. A partire dall’olio vegetale di colza e di girasole, il compostochimico che si avvicina di più al gasolio è l’estere metilico, il cui potere calorificoè dell’ordine dei 38.000 kJ/kg.

• Dalla produzione di metilestere si ottengono, inoltre, due coprodotti principali: farine e glicerina. Le farine, ricchedi proteine, derivano dal processo di estrazione dell’olio dai semi mediante triturazione e possono essere impiegatenell’alimentazione del bestiame con vantaggio indotto, quindi, per il settore zootecnico. La glicerina, coprodottodell’industria chimica, invece, si forma durante il processo di transesterificazione in quantità pari al 10% in pesodell’estere prodotto

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fpvSUPERARE I LIMITI ECONOMICI E TECNICI ALLAPENETRAZIONE DELLE RINNOVABILI

• Allo stato attuale della tecnologia l’idrogeno viene indicato come mezzo diaccumulo dell’energia rinnovabile sotto forma di energia chimica (chepermetterebbe di supeare i limiti posti dal tasso di penetrazione nella reteelettrica) e come mezzo per vettoriare tale energia negli altri settori d’uso,oggi inaccessibili (i trasporti prima di tutto).

• La scelta emerge da un esame delle diverse opzioni possibili allo stato attualedella tecnologia, soprattutto in relazione alla necessità di avere un mezzo diaccumulo di lungo periodo e un combustibile pulito e versatile, facilmentevettoriabile in tutti i settori d’impiego. Inoltre, la scelta sembra consigliata dallalogica in atto di passaggio a combustibili con sempre minore intensità dicarbonio

• Se si vuole realmente intervenire nel risanamento ambientale, occorre accelerarein modo consapevole il processo già in atto di decarbonizzazione dei combustibiliusati nella produzione di energia. Infatti la fase presente del ciclo storico disostituzione dei combustibili fossili riguarda il progressivo passaggio dal petrolioal metano. In termini chimico-fisici tale processo comporta la riduzione delcontenuto specifico di carbonio per unità di energia prodotta ed ilcontemporaneo aumento del contenuto di idrogeno

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fpvSUPERARE I LIMITI ECONOMICI E TECNICI ALLAPENETRAZIONE DELLE RINNOVABILI

• . Questa tendenza ha accompagnato l’intero ciclo storico del consumo dienergia: infatti si è passati, intorno al 1750, dal consumo delle biomassecome legna da ardere a quello intensivo del carbone minerale. Dopo laseconda guerra mondiale, negli anni 1950, il carbone ha iniziato la suaparabola discendente in favore del petrolio, che oggi regna sovrano. Apartire dagli anni 1980, si sta verificando la graduale sostituzione delpetrolio con il gas naturale, il cui consumo è in continua rapida crescita.Mentre la prima parte di questo processo è avvenuta per motiviessenzialmente economici, la fase attuale sta avvenendo in modoconsapevole anche per motivi di utilità ambientale. Quindi l’interoprocesso può essere visto come un graduale passaggio a combustibilisempre più leggeri in termini di contenuto di carbonio ed il passosuccessivo consisterà indubbiamente nel passaggio dal metano (CH4)all’idrogeno (H2) che non contiene più alcun atomo di carbonio (celle acombustibile)

• Nell’ipotesi di produrre l’idrogeno dalla scissione delle molecoledell’acqua mediante le fonti rinnovabili, si avrebbe a disposizione uncombustibile pulito lungo tutto il ciclo di esistenza, dallaproduzione al consumo finale

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IL COMBUSTIBILE IDROGENOContenuto energetico unitario dell’idrogeno e di altri idrocarburi

• L’idrogeno ha il più alto contenuto energetico per unità di massa rispetto aglialtri idrocarburi: bruciando 1 kg di idrogeno si producono 125.000 chilojoule dienergia termica contro i 44.000 di 1 kg di benzina. Purtroppo però l’idrogeno haforma di gas in condizioni normali standard, mentre la benzina è liquida. Ilrisultato pratico è che, ragionando sull’energia specifica per unità di volume: 1litro di idrogeno gassoso nelle condizioni normali standard contiene soltanto 2,48kcal contro le quasi 8.000 di 1 litro di benzina. Un po’ meglio vanno le cosefacendo il confronto con l’idrogeno liquido. In questo caso siamo a circa 2.000kcal per litro, sempre però un fattore quattro sotto al livello della benzina. Ciòsignifica che, a parità di tutte le altre condizioni, per avere la resa energetica di 1litro di benzina occorrono 4 litri di idrogeno liquido (dove però la combustionedell’idrogeno può essere realizzata con un’efficienza più alta). Si ricordi poi chela temperatura dell’idrogeno liquido è molto bassa, 253 °C sotto lo zero. Quindiesistono indubbiamente difficoltà pratiche di maneggio. Il senso del discorsoeconomico può essere però ribaltato a favore dell’idrogeno quando venganoriconosciuti i benefici ambientali e la necessità strategica dell’uso di questocombustibile pulito in relazione alla emergenza climatica globale.

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fpvProduzione attuale dell’idrogeno

• Attualmente l’idrogeno viene prodotto in grandissima quantità (circa 42 milioni ditonnellate all’anno) estraendolo dal metano mediante il processo termochimico del“reforming”. Questa grande quantità viene usata quasi per intero nei processi di sintesidell’ammoniaca per la produzione dei fertilizzanti chimici. Per la produzione d’idrogenoviene utilizzata una parte dell’energia contenuta nello stesso metano.

• Si fa reagire a caldo l’idrocarburo con l’acqua in modo da ossidare il carbonio e liberarel’idrogeno della molecola. Il risultato finale vede la produzione di idrogenoaccompagnata dall’emissione di anidride carbonica nell’atmosfera. E’ chiaro che, a menodi costose misure per catturare la CO2 prodotta e confinarla in depositi opportuni,l’idrogeno così prodotto non può essere considerato pulito.

REFORMING DEGLI IDROCARBURI

2CxHy + 2xH2O + xO2 + Energia termica = (2x)CO2 + (2x+y)H2

ELETTROLISI DELL’ACQUA

2H2O + Energia elettrica = 2H2 + O2

PRODUZIONE MONDIALE ODIERNA: 500 MILIARDI DI m3 NPT 42 MILIONI DI TON.

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fpvProduzione di idrogeno pulito

• Esiste tuttavia un altro modo consolidato nella pratica per produrre idrogeno, quellobasato sulla scissione elettrolitica dell’acqua, secondo la reazione mostrata. In questocaso si utilizza energia elettrica per alimentare le celle elettrolitiche e, se taleelettricità provenisse da fonti rinnovabili, l’idrogeno prodotto sarebbecompletamente pulito.

• Oltre al modo convenzionale di consumare idrogeno nella combustione termica(COMBUSTIONE TERMICA DELL’IDROGENO: 2H2 + O2 = 2H2O + Energia termica), esiste un modocatalitico per farlo combinare con l’ossigeno all’interno di opportuni dispositivielettrochimici chiamati “celle a combustibile” (COMBUSTIONE CATALITICA (fuel cell) : 2H2 +

O2 = 2H2O + Energia elettrica). Si tratta di apparecchi che consentono di far combinarel’idrogeno con l’ossigeno in modo controllato senza la creazione di fiamma. Il risultatodella reazione è la produzione diretta di energia elettrica, che defluisce all’esterno dellacella assieme all’unico prodotto di emissione, che è puro vapore d’acqua. Come si puòvedere, la reazione chimica è esattamente inversa di quella dell’elettrolisi in cuil’idrogeno era stato prodotto, per cui l’intero ciclo, produzione e consumo, può essereconsiderato in prima approssimazione esente da emissioni inquinanti. L’elettricità cosìgenerata può essere resa disponibile all’interno di un’autovettura per alimentaredirettamente il motore elettrico. In questo caso si avrebbe la vera autovettura elettrica aemissioni zero, realizzando in concreto il risanamento ambientale del settore deitrasporti.

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Il ciclo dell’idrogeno da fonte rinnovabile

SI PUO’ IMMAGINARE IL CICLO DI UTILIZZO SEGUENTE:

• L’elettricità da fonte solare viene utilizzata per effettuare l’elettrolisi dell’acquaproducendo idrogeno ed ossigeno. L’idrogeno viene distribuito, in parte, alle utenzeenergetiche in tempo reale ed, in parte, accumulato per una distribuzione differita neltempo e nello spazio. La sua combustione convenzionale ed elettrochimica consentedi soddisfare tutti gli usi energetici. Durante questa fase l’ossigeno che era stato prodottonell’elettrolisi viene idealmente riutilizzato per la combustione e l’acqua che era stata prelevatadalle riserve viene restituita ad esse. Quindi l’intero processo può essere visto come un ciclo,che viene attivato dall’energia solare in entrata e che restituisce in uscita tale energiatrasformata in energia termica ed elettrica per tutte le applicazioni.

• Ne consegue che tale modello consente di far compiere alle fonti rinnovabili ilsalto di qualità e di quantità che finalmente permetta loro di superare tutte lelimitazioni dovute all’intermittenza e di vettoriare l’energia solare in tutti isettori d’uso configurando un nuovo sistema energetico a ciclo ambientalesostenibile.

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fpvIl ciclo dell’idrogeno da fonte rinnovabile Un nuovo sistema energetico basato sull’economia

dell’idrogeno

L’ACCUMULO DELL’ENERGIA SOLARE SOTTO FORMA DI IDROGENO CONSENTE DI SUPERARE TUTTE LELIMITAZIONI DOVUTE ALL’INTERMITTENZA E DI VETTORIARE L’ENERGIA SOLARE IN TUTTI I SETTORID’USO CONFIGURANDO UN NUOVO SISTEMA ENERGETICO A CICLO AMBIENTALE SOSTENIBILE

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CELLE A COMBUSTIBILEUNA TECNOLOGIA “QUASI RINNOVABILE”

Le Celle a Combustibile non utilizzano FontiRinnovabili di Energia. Questa tecnologia sta, però,concentrando notevoli risorse in termini di ricerca esviluppo in quanto, pur utilizzando combustibili fossili, èin grado di generare energia elettrica in modo efficiente e,quindi, con ridotti quantitativi di emissioniinquinanti.

I sistemi a celle a combustibile per le loro elevateefficienze di conversione consentono, infatti, uncontenimento dei consumi energetici e sono suscettibili diapportare un significativo contributo al raggiungimentodegli obiettivi di riduzione delle emissioni di gas serraposti dal protocollo di Kyoto.

APPENDICE A al Seminario Fonti Rinnovabili 30

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CELLE A COMBUSTIBILE

Le Celle a Combustibile non utilizzano FontiRinnovabili di Energia. Questa tecnologia sta, però,concentrando notevoli risorse in termini di ricerca esviluppo in quanto, pur utilizzando combustibili fossili, èin grado di generare energia elettrica in modo efficiente e,quindi, con ridotti quantitativi di emissioniinquinanti.

I sistemi a celle a combustibile per le loro elevateefficienze di conversione consentono, infatti, uncontenimento dei consumi energetici e sono suscettibili diapportare un significativo contributo al raggiungimentodegli obiettivi di riduzione delle emissioni di gas serraposti dal protocollo di Kyoto.

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COSA SONO LE CELLE A COMBUSTIBILE

• Le Celle a combustibile sono sistemi elettrochimici capacidi convertire l’energia chimica di un combustibile (ingenere idrogeno) direttamente in energia elettrica, senzal’intervento intermedio di un ciclo termico, ottenendo pertantorendimenti di conversione più elevati rispetto a quelli dellemacchine termiche convenzionali

• Una cella a combustibile funziona in modo analogo a unabatteria, in quanto produce energia elettrica attraverso unprocesso elettrochimico; tuttavia a differenza di quest’ultima,consuma sostanze provenienti dall’esterno ed è quindi ingrado di funzionare senza interruzioni, finché al sistema vienefornito combustibile (idrogeno) ed ossidante (ossigeno o aria)

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COSA SONO LE CELLE A COMBUSTIBILE

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LA TECNOLOGIA DELLA CELLA A COMBUSTIBILE

• La Cella è composta da due elettrodi di materiale poroso,separati da un elettrolita.

• Gli elettrodi fungono da siti catalitici per le reazioni dicella che consumano idrogeno e ossigeno, con produzionedi acqua e passaggio di corrente elettrica nel circuitoesterno

• L’elettrolita ha la funzione di conduzione degli ioniprodotti da una reazione e consumati dall’altra, chiudendoil circuito elettrico all’interno della cella

• La trasformazione elettrolitica è accompagnata daproduzione di calore, che è necessario estrarre permantenere costante la temperatura di funzionamento dellacella

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LA TECNOLOGIA DELLA CELLA A COMBUSTIBILE

• Una singola cella produce una tensione di circa 0,7 V e correnticomprese tra 300 e 800 mA/cm2, quindi per ottenere la tensione ela potenza desiderati più celle verranno disposte in serie, a mezzodi piatti bipolari, a formare il cosiddetto “stack”. Gli stack a lorovolta sono assemblati in moduli per ottenere generatori dellapotenza richiesta

• Esistono diverse tecnologie di cella, con diverse caratteristiche ediverso grado di sviluppo. Normalmente le celle vengono classificateper la temperatura di funzionamento, in celle a bassa e ad altatemperatura, o, più spesso, sulla base dell’elettrolita utilizzato,in:§ celle alcaline (AFC –Alkalin Fuel Cell-) che usano un elettrolita

costituito da idrossido di potassio ed operano a temperature intorno ai120°C§ ad elettrolita polimerico (PEFC –Polymer Electrolyte Fuel Cell-) che

usano come elettrolita una membrana polimerica e funzionano atemperature tra 70 e 100°C

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LA TECNOLOGIA DELLA CELLA A COMBUSTIBILE

– ad acido fosforico (PAFC- Fhosphoric Acid Fuel Cell-) che oprano con unelettrolita costituito da una soluzione concentrata di acido fosforico atemperature prossime ai 200°C; rappresentano la tecnologia più matura pergli usi stazionari già avviata con commercializzazioni per applicazioni dicogenerazione nei settori residenziale e terziario (100-200 kW)

– a carbonati fusi (MCFC-Molten Carbonat Fuel Cell) che usano comeelettrolita una soluzione di carbonati alcalini fusa alla temperatura difunzionamento della cella (650°C) e contenuta in una matrice ceramicaporosa; sono promettenti per applicazioni da qualche centinaio di kW adalcune decine di MW

– ad ossidi solidi (SOFC-Solid Oxid Fuel Cell) che funzionano a temperaturaelevata (900-1000°C) per assicurare una conducibilità sufficienteall’elettrolita costituito da materiale ceramico (ossido di zirconio drogato conossido di ittrio); promettenti per applicazioni da qualche centinaio di kW adalcune decine di MW

– A Metanolo diretto (DMFC-Direct Methanol Fuel Cell-) operano atemperature comprese 70 e 120°C e come le PEFC utilizzano comeelettrolita una membrana polimerica; sono ancora allo stadio di ricerca dilaboratorio

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fpv

LA TECNOLOGIA DELLA CELLA A COMBUSTIBILE

Gli impianti con celle a combustibile sono costituiti datre sezioni principali: sezione di trattamento delcombustibile, sezione elettrochimica, sistema dicondizionamento della potenza elettrica.

SEZIONE DI TRATTAMENTO DEL COMBUSTIBILE• Il combustibile (gas naturale, metanolo, gas di sintesi

prodotti dalla gassificazione del carbone, biogas) viene quiconvertito in un gas di sintesi contenente idrogeno,purificato secondo le necessità imposte dal tipo di cellautilizzata.

• La produzione di idrogeno avviene mediante sistemi cheutilizzano processi di: “steam reforming”, “ossidazioneparziale” o “autothermal reforming”. (segue)

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fpvLA TECNOLOGIA DELLA CELLA A COMBUSTIBILE

• Il processo normalmente impiegato quando si parte daidrocarburi leggeri è quello di “reforming catalitico convapore”, seguito da conversione dell’ossido di carbonio:

CnHm + nH2O à nCO + (m/2+n)H2

nCO + nH2O à nCO2 + nH2

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Questa sezione non è necessaria se si utilizza idrogeno, se siimpiegano celle ad alta temperatura (MCFC-Molten Carbonat Fuel

Cell- e SOFC-Solid Oxid Fuel Cell-) in cui la riforma del combustibileavviene all’interno della stessa cella o nel caso di celle ametanolo diretto (DMFC-Direct Methanol Fuel Cell-).

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fpv

LA TECNOLOGIA DELLA CELLA A COMBUSTIBILE

SEZIONE ELETTROCHIMICA

• Costituita dalle celle che producono energia elettrica per viaelettrochimica attraverso una reazione tra l’idrogenoalimentato all’anodo e l’ossigeno alimentato al catodo.Latrasformazione elettrochimica è accompagnata daproduzione di calore

UN SISTEMA DI CONDIZIONAMENTO DELLA POTENZA ELETTRICA

• Che trasforma l’energia elettrica prodotta sotto forma dicorrente continua in corrente elettrica alternata

_____________________________________________________________________________

Completano l’impianto:• un sistema di regolazione e di recupero del calore, che può

essere utilizzato sia all’interno dell’impianto (ad es. per il reattoredi conversione del combustibile) che per utenze di cogenerazione

• Un sistema di controllo che assicura il coordinamento delle variesezioni dell’impianto

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I VANTAGGI DELLE CELLE A COMBUSTIBILE

• Rendimento elettrico elevato: con valori che vanno dal40-48% (rispetto al p.c.i. del combustibile) per gli impianticon celle a bassa temperatura, fino al 60% ed oltre concelle ad alta temperatura utilizzate in cicli combinati

• Possibilità di utilizzo di un’ampia gamma dicombustibili: metano metanolo, gas di sintesi (prodotto dacombustibili liquidi, gassificazione del carbone, biomasse)

• Modularità degli impianti• Efficienza indipendente dal carico e dalle dimensioni

dell’impianto• Ridotto impatto ambientale• possibilità di cogenerazione

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IL LIMITE DELLE CELLE A COMBUSTIBILE

Il principale ostacolo alla diffusione degli impianti a cellea combustibile - si è ormai compreso - è rappresentato dalcosto di produzione elevato. Gli attuali volumi di produzionenon sono infatti tali da permettere economie di scala; perpoter concorrere con le tecnologie tradizionali, sono necessarieriduzioni di costo da 3 a 10 volte (a seconda della tecnologia). Icosti degli impianti dovrebbero raggiungere, nella fase diintroduzione nel mercato, valori compresi tra 1.000 e 1.500(piccole taglie) /kW, per passare poi a regime a valori di 600–750 /kW

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fpvALTRE BARRIEREL’inserimento nel mercato di una tecnologia innovativa come questa richiede poiche si creino gradualmente le condizioni necessarie, superando barriere iniziali dicarattere ‘ambientale’ che le permettano di superare le difficoltà della fase inizialedi commercializzazione:

• conoscenza della tecnologia: gli utenti dovranno prendere confidenza con latecnologia, superando preoccupazione e diffidenza che si accompagnano allanovità; soprattutto in termini di sicurezza (idrogeno), modalità e costi di gestione,affidabilità manutenzione, ecc.

• normative specifiche: norme e garanzie tecniche per la progettazione, messa inopera, collaudo, manutenzione; di chiaro riferimento per i produttori e di garanziaper l’acquirente

•legislazione e normativa fiscale appropriata:

– sviluppo di un contesto favorevole alla generazione/cogenerazionedistribuita che renda semplice e conveniente per l’utente l’autoproduzione dienergia elettrica e calore con impianti di piccola taglia

–semplificazione delle procedure per l’installazione ed avviamento degliimpianti

–facilitazione dei rapporti con la rete elettrica (cessione di energia alla rete)

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fpvLE APPLICAZIONI

Le Celle a Combustibile trovano applicazione:• in Sistemi di generazione di energia elettrica,

preferibilmente in cogenerazione:– applicazioni isolate (PEFC e SOFC)–potenza residenziale e distribuita (PEFC, PAFC, MCFC,

SOFC)– cogenerazione commerciale e residenziale (PEFC; PAFC)– cogenerazione industriale (MCFC; SOFC)– generazione centralizzata (MCFC; SOFC)

• nei trasporti

La diffusione delle varie tecnologie richiede però che venganosuperate le barriere che limitano le varie tecnologie (affidabilità,durata e costi), mettendole in grado di competere con i sistemidi generazione di potenza classici, rappresentati dalle turbine agas e a vapore.

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APPLICAZIONI STAZIONARIE

• Le Celle a combustibile risultano particolarmente adattealla generazione di potenza distribuita; lo sviluppo del loromercato dipende quindi fortemente dall’evoluzione in attocon la liberalizzazione del mercato elettrico (in tutto ilmondo è già in atto la tendenza a diminuire le taglie). E’quindi prevedibile uno spazio crescente per tecnologie digenerazione di piccola e media taglia a limitato impattoambientale come le celle a combustibile

• Le emissioni degli impianti con celle a combustibile simantengono, ovviamente a parità di potenza elettricagenerata, ben al disotto di quelli degli impianti acombustibili fossili (il contenuto di CO, NOx e particolato èpraticamente trascurabile)

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fpvGRAFICO EMISSIONI INQUINANTI

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fpvAPPLICAZIONI NEI TRASPORTI

LA MOTIVAZIONE AMBIENTALE• I livelli di inquinamento atmosferico nei centri urbani stanno

assumendo dimensioni e livelli insostenibili• Le emissioni dovute alla mobilità di persone su strada rimane una

delle principali sorgenti d’inquinamento dell’aria nei centri urbani• Il consumo finale assorbito dal trasporto urbano passeggeri e

merci è pervenuto, nel 2000, a 16,3 Mtep (il 40% circa deiconsumi finali di energia nel settore trasporto)

• Le emissioni di CO2 dal settore trasporti nel 2000 sono state pari a137,5 Mt ed il trasporto su strada vi ha contribuito per oltre il93%

• Nell’ottica di una mobilità sostenibile occorre quindi adottarestrategie d’intervento che consentano di ridurre le emissioni diCO2, contenere nelle aree urbane i livelli di concentrazione diinquinanti quali benzene o polveri fini, ridurre i livelli diinquinamento acustico

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fpvAPPLICAZIONI NEI TRASPORTI• La risposta ideale alla domanda di mobilità sostenibile è

ovviamente rappresentata dal “veicolo a emissione zero”; costituito,allo stato attuale della tecnica, dal veicolo a propulsione elettrica

• L’impiego di sistemi di propulsione veicolare con celle acombustibile rappresenta una delle alternative più promettenti peril medio – lungo termine

• Le celle a combustibile possono consentire di realizzare veicoli cheuniscono ai vantaggi di silenziosità ed assenza di inquinamentotipici dei veicoli elettrici a batteria, caratteristiche d’uso simili aquelle dei veicoli convenzionali, in termini di autonomia e tempi dirifornimento

• Grazie all’elevata efficienza della cella, i rendimenti previsti perveicoli con celle a combustibile sono sensibilmente superiori aquelle dei motori a combustione interna: si raggiungono, aseconda del combustibile utilizzato, valori compresi tra il 27 ed il41%, contro rendimenti medi nel ciclo urbano del 16-18% (veicolia benzina) e del 20-24% (veicoli a ciclo diesel)

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fpvAPPLICAZIONI NEI TRASPORTI

Qualora alimentate da idrogeno ed aria, le celle acombustibile presentano:

• efficienze ineguagliabili da sistemi tradizionali• caratteristiche costanti al variare del carico• una dinamica rapidissima paragonabile a quella di un

accumulatore tradizionale• le emissioni di inquinanti nel punto di utilizzo del veicolo

sono praticamente nulle• l’inquinamento acustico è molto basso, perché la sola

sorgente di rumore è costituita dall’unità di compressionedell’aria per l’alimentazione dello stack

La tecnologia PEFC è quella oggetto della maggiore attenzioneda parte delle case automobilistiche per i prototipidimostrativi che esse stanno sperimentando

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IL VEICOLO A CELLE A COMBUSTIBILE

Per generare energia l’unità costituita dalle celle acombustibile deve essere integrata in un sistemacomplessivo che comprenda:

• La sezione di trattamento del combustibile• La sezione di compressione dell’aria• La sezione elettrochimica di generazione dell’energia

elettrica• Un sistema di condizionamento della potenza elettrica• Un sistema di recupero del calore sviluppato• Un sistema di regolazione e controlloL’energia prodotta dalle celle alimenterà un motore elettrico,

il quale darà la propulsione necessaria agli organi ditrasmissione del veicolo

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SCHEMA DI VEICOLO CON CELLE A COMBUSTIBILE

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IL VEICOLO A CELLE A COMBUSTIBILE

Per il sistema di generazione da installare a bordosi possono considerare diverse alternative:

• Con riferimento al combustibile utilizzato:idrogeno e metanolo (oggi) con celle polimeriche (lepiù sperimentate), oppure benzina (in futuro)

• Per la configurazione del sistema dipropulsione:– solo cella: in cui la potenza elettrica è fornita

esclusivamente dalle celle– ibrido cella/batteria: in cui la trazione è affidata ad un

motore azionato dalle celle ed un parco batterie apportail complemento di energia necessario in caso di fortiaccelerazioni e consente il recupero di energia in frenata

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TREND DEI COSTI

• Oggi per stack di celle polimeriche, ancora a livelloprototipale, si registrano costi dell’ordine dei 3.500÷5.000/kW

• Alla luce delle iniziative di industrializzazione avviate, èprevedibile che tali costi si ridurranno presto in manieraapprezzabile, pur rimanendo sensibilmente superiori aquelli dei motori tradizionali

• Sono previsti valori di costo dell’ordine dei 350 /kW entroil 2004, quando saranno prodotti ancora un numerolimitato di veicoli

• Si potrà scendere a valori competitivi con quelli dei motoria combustione interna (50÷100 /kW)con l’avvio dellaproduzione di serie