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1 Idrogeno quale vettore per un sistema energetico sostenibile Valeria Spada Università degli Studi di Foggia – Facoltà di Economia Via.

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1 1 Idrogeno quale vettore per un sistema energetico sostenibile Valeria Spada Università degli Studi di Foggia – Facoltà di Economia Via R. Caggese, Foggia

2 2 INTRODUZIONE PANORAMA ENERGETICO LA MERCE IDROGENO MATERIE PRIME E TECNOLOGIE PER LA PRODUZIONE DELLIDROGENO CONFINAMENTO DELLANIDRIDE CARBONICA IMMAGAZZINAMENTO E TRASPORTO DELLIDROGENO UTILIZZO DELLIDROGENO PRINCIPALI PROGRAMMI DI RICERCA E SVILUPPO CONCLUSIONI INDICE

3 3 Lobiettivo di questa lezione è di esaminare le prospettive di una economia che possa far uso dellidrogeno per produrre energia elettrica e calore da impiegare nei diversi settori di applicazione in sostituzione dei combustibili fossili. La necessità nasce dai sia dalle prospettive di esaurimento dei combustibili fossili sia dal fenomeno delleffetto serra, dovuto principalmente allaumento della concentrazione di anidride carbonica connesso al loro impiego.

4 4 PANORAMA ENERGETICO A partire dalla metà del XIX secolo il mondo ha cominciato gradualmente a spostarsi dallimpiego di una fonte di energia allaltra. Nel corso del tempo si è realizzato un processo di decarbonizzazione, cioè la sostituzione delle risorse ad elevato contenuto in carbonio con gli idrocarburi (dalla legna ai carboni fossili, poi ai prodotti petroliferi e più di recente al metano). Le ragioni di questa esigenza sono varie, da quelle economiche, alla maggiore facilità di trasporto e distribuzione e recentemente di natura ambientale, a causa degli effetti negativi prodotti dalla combustione dei materiali a maggiore contenuto in carbonio. La domanda energetica mondiale è in costante crescita, sia a causa della pressione esercitata dai Paesi industrializzati, sia per il crescente fabbisogno connesso allaumento della popolazione mondiale, soprattutto nei PVS, dai quali proverrà oltre il 60% dellincremento della domanda di energia primaria nei prossimi 30 anni.

5 5 Le previsioni sulla domanda mondiale di energia stimano nel periodo una crescita media annua del 1,7%, passando da MTep dellanno 2000 a del I combustibili fossili soddisferanno il 90% della domanda globale di energia. La domanda di metano aumenterà più rapidamente e la sua incidenza sulla domanda mondiale di energia passerà dal 23 al 28%, con un incremento medio annuo di circa il 2,4%, rispetto al petrolio (1,6%) e al carbone (1,4%). Trend della domanda mondiale di energia primaria per fonte (Mtep)

6 6 Il Medio Oriente è il maggior detentore delle riserve petrolifere accertate e detiene circa il 60% del totale mondiale, seguito dallEuropa e Eurasia con il 11,3%, e dallAfrica con il 10%. La durata prevista per queste supera i 40 anni. RISERVE MONDIALI DI PETROLIO (GT) Riserve accertate rapporto R/P* % Nord America1312,58,89,75,614,8 America centrale e meridionale4,610,814,617,69,850,3 Europa e Eurasia13,61114,519,211,322,1 Medio Oriente54,390, ,978,6 Africa88,313,516,610,033,4 Asia e Pacifico5,37,16,45,63,314,5 Mondo99140,2156,7170,8100%42,0 *R/P (Riserve/Produzione) è il rapporto tra riserve al termine dellanno 2005 e la produzione dellanno stesso. Esso fornisce la durata in anni di tali riserve, se il livello di produzione rimanesse invariato. (Fonte: BP, 2009).

7 7 RISERVE MONDIALI DI CARBONE (GT) (Fonte: BP, 2009) Le riserve di carbone risultano distribuite in maniera molto più omogenea in tutte le aree geografiche rispetto al petrolio e al gas naturale e maggiormente concentrate nei paesi della Europa e Eurasia, in Asia e Pacifico e negli Stati Uniti dAmerica, con una durata stimata di 122 anni. Riserve accertate a fine anno 2008 antracite e bituminoso sub-bituminoso e ligniteTotale%R/P Nord America ,8216 America centrale e meridionale78151,8172 Europa e Eurasia ,0218 Africa e Medio Oriente330 4,0131 Asia e Pacifico ,464 Mondo

8 8 * Superiori a 100 anni. (Fonte: BP, 2009) RISERVE MONDIALI DI GAS NATURALE (10 12 m 3 ) Nel periodo le riserve di gas naturale hanno registrato un incremento medio annuo del 3,7%. Il Medio Oriente e lEuropa orientale sono i detentori di quasi i 3/4 e la durata stimata è di 60 anni. Una promettente riserva di metano è rappresentata dagli idrati naturali di metano (strutture a gabbia, in cui molecole dacqua intrappolano molecole di metano, a basse temperature e ad alte pressioni). Si stimano valori da a m 3 di gas metano ottenibile da tutti gli idrati di gas naturale presenti sia nelle aree continentali polari sia in quelle marine. Riserve accertate Rapporto R/P % Nord America10,48,757,318,874,810,9 America centrale e meridionale3,185,547,197,314,046,0 Europa e Eurasia40,4863,6262,362,8934,057,8 Medio Oriente26,3844,4371,7275,9141,0* Africa6,910,0113,7814,657,968,2 Asia e Pacifico5,958,7313,4715,398,337,4 Mondo92,68141,08175,78185,02100%60,4

9 9 Consumi di energia in fonti primarie in Italia (Mtep) (Fonte: Energia, 2008). Il fabbisogno energetico italiano ha subito nel corso degli ultimi trenta anni un incremento medio annuo di circa l1,1% e, tra i combustibili fossili, il gas naturale ha registrato un tasso di crescita maggiore, pari all 11,1%. Nellanno 2008 i consumi sono stati coperti per il 41,4% dal petrolio e suoi derivati, per il 36,4% dal gas naturale, per l8,9% dal carbone e per l 8,8% da energia elettrica di origine rinnovabile /anno % Carbone10,21717,217,117,08,91,9 Petrolio105,385,285,382,579,441,4-0,7 Gas naturale14,371,269,770,0 36,411,1 Energia elettrica10,124,424,024,625,613,34,3 di cui: idro-geo- rinnovabili9,213,514,214,316,98,82,4 nucleare0, importazioni nette0,210,99,810,38,74,5121,4 Totale139,8197,8196,2194,2192,0100,01,1

10 10 ENERGIA E AMBIENTE Emissioni mondiali di CO 2 - settore energetico (Mt/anno)Emissioni di CO 2 per settore (Mt) Limpiego dei combustibili convenzionali nellambito del settore energetico ha causato, tra laltro, nel corso degli anni, il fenomeno dellaumento della concentrazione di CO 2 nellatmosfera, che è passato da 270 ppm di inizio secolo, agli attuali 380 ppm. Si prevede che 2/3 dellincremento delle emissioni si verificherà nei PVS. Quasi la metà dellaumento delle emissioni mondiali di CO 2 fra il 2000 ed il 2030 sarà causato dalla produzione di energia elettrica; il settore dei trasporti contribuirà per oltre un quarto, mentre il comparto residenziale, commerciale ed industriale per la quantità rimanente. *Usi di energia nellagricoltura, nel commercio, nei servizi pubblici, nelle abitazioni ed altri non specificati.

11 11 IL VETTORE IDROGENO La completa sostituzione dei combustibili fossili con le fonti rinnovabili non è stata finora presa in considerazione per ragioni economiche. Essendo queste ultime contraddistinte dalla stagionalità e dalla intermittenza, la problematica centrale di una eventuale transizione energetica risiede proprio nello sviluppo di adeguate tecnologie di accumulo: quelle relative alla produzione e alluso dellidrogeno sono la via più promettente per affrontare il problema. Lidrogeno è un vettore di energia (ossia un mezzo di accumulo e di trasporto dellenergia) che può contribuire allo sviluppo di un sistema energetico sostenibile, in quanto: può essere prodotto a partire sia da fonti fossili sia da fonti rinnovabili; non genera CO 2 e altre sostanze inquinanti durante il suo utilizzo, quindi è un combustibile pulito, con il più elevato potere calorifico (120 MJ/kg).

12 12 Lidrogeno può essere ottenuto sia da fonti fossili (con possibilità di immagazzinare la CO 2 generata come sottoprodotto dei processi di conversione dei combustibili fossili), sia da fonti rinnovabili (ed essere impiegato come mezzo di accumulo di queste), o anche da energia nucleare. E poi distribuito in rete e destinato ai vari settori di utilizzo (generazione di potenza, residenziale, industriale, trasporti, ecc). Fonti e tecnologie di produzione dellidrogeno

13 13 A livello mondiale il 48% dellidrogeno è ottenuto da gas naturale, il 30% da frazioni petrolifere leggere, il 18% da carbone ed il rimanente 4% per via elettrolitica. Fonte Produzione di idrogeno in miliardi di Nm 3 /anno Percentuale Gas naturale24048 Petrolio15030 Carbone9018 elettrolisi204 Totale PRODUZIONE MONDIALE PER FONTE (Fonte: Giaconia et al., 2006)

14 14 Lindividuazione della fonte da cui ricavare idrogeno non sarà una scelta omogenea a livello mondiale ma, sulla base di valutazioni tecnico-economiche, si farà ricorso a materie prime diverse, ed ogni area geografica potrà scegliere la metodologia produttiva più adeguata alle proprie esigenze e disponibilità. La situazione attuale evidenzia un consumo di idrogeno ottenuto quasi totalmente a partire da fonti fossili che, nel breve periodo, rappresentano la soluzione economicamente più conveniente. Esse consentiranno di gestire la fase di transizione che porterà ad una economia dellidrogeno, basata sulluso di fonti energetiche alternative. Il metano rappresenta, nel breve-medio periodo, la fonte predominante nella produzione dellidrogeno, in quanto materia prima più facilmente trattabile a livello industriale e con un contenuto di idrogeno maggiore rispetto al petrolio greggio e al carbone. Oltre ad essere un combustibile fossile pulito può essere distribuito attraverso una rete di gasdotti molto più flessibile ed estesa di quella degli oleodotti. Nonostante limpiego del carbone determini un notevole impatto ambientale esso può contribuire, attraverso il processo di gassificazione, a questa transizione verso uneconomia dellidrogeno, tenuto conto che le riserve accertate sono circa cinque volte maggiori di quelle del petrolio, con il vantaggio di rendere utilizzabile una fonte di energia attualmente meno interessante. Fonti di idrogeno

15 15 La generazione dellidrogeno da fonti energetiche rinnovabili può realizzarsi: in prossimità di impianti produttivi ubicati in zone ove è presente una fonte rinnovabile a basso costo; in impianti isolati nei quali viene prodotto H 2 nei periodi di surplus energetico, con funzione di mezzo di accumulo; in impianti connessi alla rete elettrica, dove lelettrolisi genera H 2 nei momenti di scarsa richiesta elettrica, mentre la rete consente di trasferire lenergia in eccesso ottenuta dalla fonte rinnovabile. I costi di produzione dellH 2 da fonte idroelettrica variano dai 10 ai 30 /GJ, per un costo dellenergia elettrica compreso tra 0,02-0,04 /kWh, tipico per impianti idroelettrici ubicati in zone favorevoli e di una certa dimensione, mentre quelli da fonte eolica sono valutati da 22 a 50 /GJ, per impianti di potenza variabile tra 100 kW – 1 MW e velocità medie del vento da 8 a 10 m/s. Per quanto riguarda la produzione da fonte solare le zone desertiche caratterizzate da forte insolazione sono favorite per questo tipo di utilizzo energetico. Sono stimati costi di produzione dellordine di 40 /GJ, con limpiego di impianti da 0,2 milioni di Nm 3 /giorno.

16 16 TECNOLOGIE DI PRODUZIONE DA COMBUSTIBILI FOSSILI Il processo di reforming rappresenta uno dei modi più efficaci e meno costosi di generazione dellH 2 su larga scala e consente di ottenere circa il 95% della produzione mondiale. Il processo prevede la trasformazione con vapore del metano, oppure di frazioni petrolifere leggere, in presenza di catalizzatore al nichel, alla temperatura di circa °C ed ad una pressione di 2,5 Mpa. Nella prima fase del processo si ottiene un gas di sintesi: CH 4 + H 2 O CO + 3H 2 (reazione endotermica) Nella seconda fase (shift reaction): CO + H 2 O CO 2 + H 2 (reazione esotermica) Il gas in uscita dal reattore contiene prevalentemente H 2 (75-78%), CO 2 (10-12%) e piccole quantità di CO (8-10%), mentre la parte restante è costituita da tracce di metano e vapore acqueo.

17 17 Lefficienza di conversione energetica delle tecnologie di reforming del metano si aggira intorno al 75-80%, ma attraverso il recupero e lutilizzo del calore di rifiuto si può raggiungere anche l85%. Il costo del gas naturale incide fortemente sul prezzo finale dellH 2 e, secondo alcune stime, costituisce il 52-68% del costo totale, per impianti di grosse dimensioni, e circa il 40%, per quelli di dimensioni inferiori. Il metano può essere sottoposto anche al Cracking termocatalitico, che comporta la scissione di questo combustibile in carbonio e idrogeno, in presenza di un catalizzatore e ad elevata temperatura ( °C), secondo la seguente reazione endotermica : CH 4 C + 2H 2. Il metano, o un idrocarburo liquido, può essere sottoposto anche ad un processo di Reforming autotermico, che combina le caratteristiche tecniche dei sistemi di steam reforming e di ossidazione parziale. Si realizzano quindi entrambe le seguenti reazioni : CH 4 + ½ O 2 CO + 2H 2 + calore (ossidazione parziale) CH 4 + H 2 O CO + 3H 2 (steam reforming) La reazione di ossidazione parziale fornisce il calore necessario alla reazione catalitica di steam reforming, quindi tutto il calore generato dalla prima è utilizzato per la seconda.

18 18 Lossidazione parziale non catalitica è un metodo di produzione termica dellH 2 che può essere applicato ad unampia gamma di idrocarburi, compresi quelli leggeri e gli oli pesanti, e prevede la reazione con ossigeno gassoso, ad una temperatura variabile tra °C, per produrre gas di sintesi, poi purificato. Prima fase del processo: CH 4 + ½ O 2 CO + 2H 2 (reazione esotermica) Seconda fase (shift reaction): CO + H 2 + H 2 O CO 2 + 2H 2 Il catalizzatore non è richiesto, a causa dellelevata temperatura a cui si opera. Lefficienza dellunità di ossidazione parziale è relativamente alta (70-80 %); in ogni caso inferiore rispetto a quella dello steam reforming.

19 19 La gassificazione del carbone consiste nella reazione ad elevata temperatura del carbone polverizzato con ossigeno puro e vapore acqueo, in modo da produrre un gas formato principalmente da idrogeno e monossido di carbonio. Prima fase del processo: C + H 2 O CO + H 2 Il gas in uscita subisce un processo di desolforazione prima della reazione di shift; Seconda fase (shift reaction): CO + H 2 + H 2 O CO 2 + 2H 2 LH 2 deve poi essere separato dai gas inerti e dalla CO 2 secondo vari procedimenti. É un processo esotermico e pertanto sono previsti dei sistemi di recupero del calore. Il costo dellH 2 ottenuto è di circa /GJ, di cui quello della materia prima impiegata incide per quasi il 25%.

20 20 TECNOLOGIE DI PRODUZIONE DA FONTI ENERGETICHE RINNOVABILI Obiettivi di breve periodo: Perfezionamento dei processi di elettrolisi dellacqua e la loro integrazione in sistemi che utilizzino risorse rinnovabili; Sviluppo di processi di gassificazione e pirolisi per la generazione dell H 2 da biomasse. Lacqua può essere utilizzata attraverso il processo elettrolitico per la produzione di H 2 se si dispone di energia elettrica a costi accessibili in grado di alimentare il processo. La limitata penetrazione dellH 2 elettrolitico nellattuale mercato dipende dai costi elevati: lenergia elettrica prodotta da fonti rinnovabili è da 3 a 5 volte più costosa della stessa quantità di energia ricavata direttamente dai combustibili fossili. LH 2 elettrolitico è attualmente competitivo per le utenze che richiedono la produzione di limitati quantitativi o per applicazioni dove è necessaria unelevata purezza del gas (nel settore alimentare). LELETTROLISI DELLACQUA Obiettivi di lungo periodo: Incrementare la ricerca sulla possibilità di ricavarlo mediante processi biologici di fotoconversione, oppure attraverso la dissociazione dellacqua ad alta temperatura, per mezzo di processi termochimici.

21 21 LA DECOMPOSIZIONE TERMOCHIMICA DELLACQUA I cicli termochimici rappresentano un altro metodo di produzione dellH 2, che insieme allossigeno, è ottenuto mediante decomposizione dellacqua attraverso una serie di trasformazioni chimiche, che danno come somma la seguente reazione: H 2 O H 2 + ½ O 2. Per realizzare questi cicli, basati sulla decomposizione dellacido solforico, occorre una sorgente di calore ad alta temperatura ( ° C) (un concentratore solare). Lunico reagente consumato è lacqua, che viene scissa in tre stadi ad opera del calore. Le reazioni chimiche sono: H 2 SO 4 H 2 O + SO 2 + 0,5 O 2 (800° C) 2H 2 O + SO 2 + I 2 2HI + H 2 SO 4 (in acqua a 25° C) 2HI I 2 + H 2 ( ° C) Il rendimento teorico dei cicli termochimici, in corso dindagine, è del 50%.

22 22 TECNOLOGIE DI PRODUZIONE DI IDROGENO DA BIOMASSE : processi termochimici e biotecnologici La produzione per via termochimica può realizzarsi tramite: Gassificazione diretta della biomassa, con reforming catalitico del gas generato; Pirolisi, seguito da reforming della frazione liquida ottenuta. La gassificazione è un processo ad alta temperatura nel quale una sostanza solida è decomposta termicamente con una quantità limitata di aria oppure con ossigeno (ed eventualmente vapore acqueo) per ottenere un combustibile gassoso. Si opera a temperature intorno agli °C (con aria) o ai °C (con lossigeno). Nel primo caso il gas combustibile ottenuto ha un potere calorifico di 4-6 MJ/Nm 3, contenente fino al 60% di azoto, rispetto a MJ/Nm 3 del secondo. Il risultato è un gas di sintesi costituito da componenti combustibili (monossido di carbonio, idrogeno e piccole quantità di idrocarburi) e non combustibili (azoto, ossidi di azoto, anidride carbonica e vapor acqueo). Sono attesi dei miglioramenti di efficienza del processo, che si suppone porteranno il rendimento complessivo a valori superiori al 40%. PROCESSI TERMOCHIMICI

23 23 Nel processo di pirolisi le biomasse sono decomposte termicamente ad elevate temperature ( °C), in assenza di aria, per formare un bio-olio. Valutazioni economiche effettuate per impianti con produttività intorno ai Nm 3 di H 2, utilizzando biomasse a costi variabili tra i 16 e 46 per tonnellata di sostanza secca, stimano costi di produzione compresi fra 10 e 15 /GJ (rispetto a costi compresi fra gli 11 e 15 /GJ nel caso di produzione da metano con impianti della stessa dimensione). La pirolisi realizza la trasformazione di un combustibile a bassa densità energetica (12,5-16,5 MJ/kg) in un altro a più elevato contenuto energetico (21-25 MJ/kg) e più facilmente gestibile. Lefficienza energetica del processo varia dal 58 a 80%. Il prodotto risultante comprende quindi una frazione gassosa (ossido di carbonio, anidride carbonica, idrocarburi e idrogeno) e una frazione liquida oleosa (acqua e composti organici) ed infine un prodotto solido.

24 24 PRODUZIONE BIOTECNOLOGICA La fermentazione delle biomasse può produrre lalcole etilico dal quale è possibile ottenere H 2, attraverso il reforming con vapore, secondo la seguente reazione: C 2 H 5 OH + H 2 O 2CO + 4H 2 La fermentazione è attuata attraverso limpiego di microrganismi che, a temperature intorno a 30°C ed impiegando tempi piuttosto lunghi (24-72 ore), producono una soluzione acquosa di alcole etilico all 8-10 %. Tale soluzione va sottoposta a distillazione per recuperarne lalcole etilico contenuto. I pigmenti delle alghe assorbono lenergia solare e gli enzimi nella cellula agiscono da catalizzatori per scindere lacqua nei suoi elementi, idrogeno e ossigeno. La produzione fotobiologica di H 2 può essere ottenuta utilizzando organismi fotosintetici quali le alghe verdi, blu-verdi e i batteri fotosintetici. I batteri fotosintetici, invece, sono in grado di impiegare forme di energia solare per produrre H 2 utilizzando come substrato molecole organiche solubili, ottenibili dal trattamento dei reflui. Per quanto riguarda i costi di produzione si sono ottenuti dei valori compresi tra 15 e 45 /GJ, con rendimenti variabili tra il 3 ed il 10%.

25 25 OPZIONI PER IL SEQUESTRO DELLANIDRIDE CARBONICA La transizione alleconomia dellidrogeno richiede la gestione della CO 2 che si genera dai processi di conversione dei combustibili fossili, in attesa di poter impiegare su vasta scala le fonti rinnovabili. Nel breve-medio periodo si valuteranno le soluzioni per il confinamento della CO 2 : geologico (giacimenti di petrolio, gas naturale, di carbone non estraibile, acquiferi salini profondi) oppure oceanico. Non sono certi i possibili impatti ambientali che ne deriverebbero e le condizioni di sicurezza degli stoccaggi. Potenziale mondiale di immagazzinamento in: giacimenti petroliferi attivi: 130 miliardi di tonnellate metaniferi esauriti: 900 miliardi di tonnellate giacimenti carboniferi: 15 miliardi di tonnellate acquiferi salini: miliardi di tonnellate

26 26 Per diventare un importante vettore di energia lidrogeno deve anche poter essere immagazzinato e trasportato in modo economicamente efficiente. Lidrogeno è attualmente distribuito in forma liquida o come gas compresso. IMMAGAZZINAMENTO E TRASPORTO DELLIDROGENO Le diverse tecnologie di accumulo dellidrogeno: compressione, liquefazione, idruri metallici (idrogenazione di alcune leghe metalliche porose) e i sistemi basati sul carbonio (forme di aggregazione del carbonio capaci di assorbire H 2 ), sono oggetto di studio sia per impieghi statici sia per il trasporto a bordo dei veicoli. Tuttavia nessuna di queste soluzioni ha al momento le caratteristiche, sia in termini di densità energetica sia di costo, necessarie per unapplicazione diffusa. MetodoImpiego generale Sotterraneo (gasdotti)grandi quantità, lunghe distanze liquidopiccole quantità, lunghe distanze gas compressopiccole quantità, brevi distanze idruri metallicipiccole quantità nanotubi di carboniopiccole quantità

27 27 UTILIZZO DELLIDROGENO Il principale impiego previsto in futuro per lidrogeno riguarda lutilizzo come vettore energetico sia per la generazione/cogenerazione di energia elettrica (cicli termici, celle a combustibile) sia per il trasporto (motori a combustione interna, celle a combustibile). Le celle a combustibile rappresentano il mezzo più efficiente per convertire lidrogeno in energia. Le più interessanti applicazioni riguardano i seguenti settori: produzione di energia elettrica stazionaria in grandi impianti (ospedali, asili, scuole, terminali di aeroporti, hotel, uffici e centri commerciali, ecc.); produzione di energia stazionaria residenziale (produzione domestica di energia, calore, acqua calda); trasporti (settore automobilistico, alimentazione di motociclette, treni, navi e aerei); energia portatile con applicazione ad apparecchiature elettriche ed elettroniche in sostituzione di batterie (cellulari, palmari, lettori cd, computer, ecc.).

28 28 CELLE A COMBUSTIBILE Questo dispositivo si comporta in modo analogo ad una batteria, in quanto produce energia elettrica attraverso un processo elettrochimico ma, a differenza di questultima, consuma materiali provenienti dallesterno, idrogeno ed aria (o ossigeno). Una singola cella produce una tensione di circa 0,7 V e correnti tra 300 e 800 mA/cm 2, quindi per ottenere la potenza e il voltaggio desiderato più celle sono disposte in serie, formando il cosiddetto stack. Possono rappresentare una utile fonte termica e sono prive di parti meccaniche in movimento. Si caratterizza sia per gli elevati rendimenti, (40-48%, fino a raggiungere il 60%), indipendenti dalla potenza installata, sia per il basso impatto ambientale, in quanto producono come gas di scarico solo aria e vapor acqueo.

29 29 Gli elevati rendimenti delle celle a combustibile si traducono in una riduzione delle emissioni di CO 2 e delle sostanze inquinanti nel punto di utilizzo, rispetto agli impianti di generazione di potenza tradizionali. Confronto delle emissioni di impianti a celle a combustibile con impianti di generazione di potenza tradizionali Impianti a carbone Impianti a petrolioImpianti a gas Impianti con celle a combustibile CO 2 (g/kWh)NO X (mg/kWh)SO 2 (mg/kWh) Polveri (mg/kWh)Idrocarburi (mg/kWh) ( Fonte: Iacobazzi et al., 2002)

30 30 Nella prima avviene il trattamento del combustibile che è convertito in un gas di sintesi contenente idrogeno, purificato secondo le necessità imposte dal tipo di cella. Infine vi è un sistema di condizionamento della potenza elettrica, che trasforma lenergia prodotta come corrente elettrica continua in corrente alternata e un sistema di recupero del calore. La seconda è quella elettrochimica, costituita dalle celle nelle quali si produce energia elettrica per via elettrochimica insieme a calore. Gli impianti con celle a combustibile sono costituiti da tre sezioni principali:

31 31 PRINCIPALI TIPI DI CELLE A COMBUSTIBILE CELLE A BASSA TEMPERATURA: Celle a elettrolita polimerico (PEFC, Polymer Electrolyte Fuel Cell) ed a metanolo diretto (DMFC, Direct Methanol Fuel Cell): Elettrolita: membrana polimerica; Temperatura: tra 70 e 100°C; Applicazioni: trazione e generazione/cogenerazione di piccola potenza (1-250 kW). C elle ad acido fosforico (PAFC, Phosphoric Acid Fuel Cell) Elettrolita: soluzione concentrata di acido fosforico; Temperatura: 200°C; Applicazioni: usi stazionari (potenza dellordine di kW); Combustibile impiegato: gas naturale. CELLE AD ALTA TEMPERATURA: Celle a carbonati fusi (MCFC, Molten Carbonate Fuel Cell): Elettrolita: soluzione di carbonati alcalini fusa alla temperatura di funzionamento della cella (650°C); Celle ad ossidi solidi (SOFC, Solid Oxide Fuel Cell): T emperatura: °C per assicurare una conducibilità sufficiente allelettrolita (materiale ceramico); Applicazioni: produzione di energia elettrica per usi stazionari e la cogenerazione elettricità-calore, di potenza compresa tra qualche centinaio di kW ad alcune decine di MW. Queste tecnologie possono produrre H 2 nella cella stessa, effettuando un reforming interno.

32 32 IL MERCATO ATTUALE DELLIDROGENO (miliardi di m 3 /anno) (Fonte: Parkison, 2001). CAPTIVE : Produzione di H 2 interna al processo che lo utilizza (grandi impianti inseriti nelle raffinerie e nella produzione di ammoniaca). MERCHANT : Produzione di H 2 per utenti esterni. Il suo impiego nel mondo annualmente ammonta a circa 500 miliardi di Nm 3 : il 40% utilizzato nelle raffinerie (processi di desolforazione, di raffinazione di prodotti petrolchimici, ecc.); il 59% dallindustria chimica per la formazione di ammoniaca e metanolo; l1% per applicazioni dellindustria elettronica, metallurgica, alimentare e spaziale.

33 33 I Paesi che sviluppano i principali programmi nel campo dellidrogeno e celle a combustibile sono soprattutto Stati Uniti, Giappone e Corea del Sud dove è forte la presenza del contributo autonomo dellindustria sia automobilistica, sia per le applicazioni stazionarie. Il DOE (Department of Energy) negli USA ha investito 153 e 195 milioni di dollari rispettivamente per il 2003 e 2007, mentre per il 2008 ne sono previsti 213. Tali finanziamenti riguardano complessivamente lidrogeno e le celle a bassa temperatura; mentre le celle a combustibile ad alta temperatura che possono utilizzare anche combustibili con miscele di idrogeno (tipicamente H 2 e CO) sono finanziati nellambito di altri programmi energetici per gli usi stazionari in cogenerazione. In Giappone, dove la struttura dei finanziamenti proviene da varie fonti pubbliche, essi sono di circa 250 milioni di euro/anno. In Corea per il periodo sono circa 475 milioni di euro i fondi pubblici resi disponibili per il programma idrogeno e celle a combustibile. È opportuno anche segnalare che nel 2003 è stata avviata uniniziativa a livello mondiale, promossa dagli USA denominata International Partnership on Hydrogen Economy (IPHC), firmata da 16 paesi in lui lEuropa partecipa come Unione Europea, per lo sviluppo e il sostegno di una economia dellidrogeno come prospettiva mondiale per coniugare il crescente aumento dei consumi energetici e la necessità di ridurre limpatto ambientale. La situazione internazionale

34 34 PRINCIPALI PROGRAMMI DI RICERCA E SVILUPPO INTERNAZIONALI Programma Idrogeno del DoE: avviato: 1970; obiettivo: sviluppo di metodi per la produzione e lo stoccaggio dellH 2, in coordinazione con progetti di realizzazione delle celle a combustibile e di gassificazione delle biomasse e del carbone. STATI UNITI Progetto Vision 21: obiettivo: realizzazione entro il 2015 di impianti che utilizzano combustibili fossili con sequestro della CO 2. GIAPPONE Programma We-Net (World Energy Network) avviato: anno 1992 obiettivo: sviluppo di tecnologie di produzione di H 2 da fonti rinnovabili (elettrolisi dellacqua), di accumulo, di trasporto e di impiego nelle celle a combustibile. Le ricerche delle società petrolifere (Esso, BP) in questo campo sono finalizzate alla produzione di H 2 da combustibili fossili e alla separazione e confinamento della CO 2.

35 35 International Partnership for Hydrogen Economy del DoE obiettivo: promozione di una maggiore collaborazione internazionale per lintroduzione delle tecnologie dellH 2 e delle FC. European Hydrogen and Fuel cells Technology Platform della CE avviato: anno 2004 obiettivo: Sviluppo di tecnologie per limpiego dellH 2 e delle FC nelle applicazioni stazionarie, portatili e nel trasporto; Realizzazione di una Agenda strategica che stabilisca gli obiettivi, il budget stanziato e una stretta collaborazione tra il settore pubblico e privato. Implementing Agreements su idrogeno, celle a combustibile e veicoli elettrici e ibridi dellIEA Forum internazionale sul sequestro della CO 2 Programma Quick Start della CE: obiettivo: creazione di cooperazioni nellambito dellindustria, della comunità dei ricercatori e della Banca europea degli investimenti. Sono previsti due progetti principali: Hycom: prevede la creazione di comunità a idrogeno autonome, che producono e utilizzano H 2 per la generazione di energia elettrica, calore e per lalimentazione di veicoli. Hypogen: prevede la realizzazione di un impianto dimostrativo alimentato da combustibili fossili, in grado di separare e confinare la CO 2. Budget totale: 2,8 MLD. ALTRE COLLABORAZIONI INTERNAZIONALI

36 36 La CE ha definito una piattaforma tecnologica con la partecipazione dellindustria e delle maggiori strutture di ricerca attraverso un nuovo sistema operativo di gestione denominato JTI (Joint Technological Initiatives) che unisce lattività delle imprese coinvolte con i finanziamenti europei, per sostenere e accelerare il percorso dello sviluppo in questo settore e arrivare intorno al 2015 con prodotti competitivi sul mercato. Se lEuropa si è data degli obiettivi molto importanti nel VII P.Q. impiegando circa 500 milioni di euro per la ricerca nel periodo , lItalia, dopo aver fatto molto agli inizi degli anni 2000, con la promozione di programmi di ricerca e sviluppo nel campo dellidrogeno e delle celle a combustibile, ha rallentato successivamente la sua azione. La situazione europea e nazionale

37 37 LItalia ha varato alcuni programmi importanti negli anni passati soprattutto promossi dal Ministero della Ricerca e cofinanziati dal Ministero dellAmbiente per circa 100 milioni di Euro. Tali finanziamenti, nella misura di 51 milioni di euro, sono stati devoluti ai programmi di ricerca e sviluppo della produzione e accumulo dellH 2 e 39 per la ricerca e lo sviluppo di celle a combustibile, con il coinvolgimento delle principali strutture di ricerca e industriali italiane tra cui ENEA, CNR, Centro Ricerche FIAT, molte università italiane e centri di ricerca regionali. Tali progetti sono diventati operativi nella seconda metà del 2005, ma le idee progettuali che hanno generato questi finanziamenti risalgono agli inizi del Attualmente si registra un interesse crescente che coinvolge molte regioni italiane con la partecipazione di alcune province e comuni con il rischio che, pur nel rispetto della propria autonomia, ognuno vada per la sua strada, facendo mancare lottimizzazione dei programmi e il coordinamento necessario per dialogare meglio con lEuropa ed essere competitivi. Tuttavia manca una reale politica di indirizzo a livello nazionale che sia di guida, che omogeneizzi gli sforzi rendendoli razionali e coerenti.

38 38 Azioni per la promozione dellimpiego dellH 2 e delle relative tecnologie sono state avviate anche da diverse amministrazioni locali (Regioni, Province e Comuni). Tra le Regioni: Piemente, la Lombardia, il Veneto, la Toscana e, più recentemente, Lazio e Abruzzo.

39 39 CONCLUSIONI Esistono tuttavia una serie di impedimenti che ostacolano una rapida penetrazione dellidrogeno nel mercato energetico e che devono essere rimossi: TECNOLOGICI: gli attuali sistemi di produzione, distribuzione, accumulo ed utilizzo non sono adeguati; STRUTTURALI: mancanza di adeguate reti distributiva di rifornimento; ECONOMICI: costi elevati dei sistemi di produzione e delle infrastrutture; NORMATIVI: mancanza di codici e standard che regolino la sicurezza delluso dellidrogeno; SOCIALI: legate al comportamento del consumatore, che tende a privilegiare le tecnologie consolidate e a percepire negativamente limpiego dellidrogeno su vasta scala.


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