Progetto di produzione di idrogeno lungo l A22

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1 58 Asecap 2008 Progetto di produzione di idrogeno lungo l A22 COME È POSSIBILE SOSTITUIRE LITRI DI BENZINA E LITRI DI DIESEL ALL ANNO? PER ESEMPIO UTILIZZANDO, COME AL- TERNATIVA PULITA, UN IMPIANTO DI PRODUZIONE DI IDROGENO CHE LAVORA 22 ORE AL GIORNO PER UNA CAPACITÀ MASSIMA DI 355 GIOR- NI ALL ANNO. FANTASCIENZA? NO, REALTÀ. AFFIDATA A UN PROGETTO DI AUTOBRENNERO CON L ISTITUTO PER INNOVAZIONI TECNOLOGICHE (IIT) DI BOLZANO. IL PROGRAMMA PREVEDE CINQUE SITI PRODUTTIVI LUNGO LA TRATTA; UN IMPIANTO PILOTA SARÀ REALIZZATO ENTRO IL 2008 A BOLZANO SUD. TRA LE DESTINAZIONI D USO: L INTERO CORPO AUTOSTRADALE (PER ESEMPIO I PANNELLI A MESSAGGIO VARIABILE), MA ANCHE LE FLOTTE DEI MEZZI PUBBLICI PROVINCIALI. Carlo Costa ingegnere Direttore Tecnico Autostrada del Brennero SpA Silvano Grisenti Presidente Autostrada del Brennero SpA con Ilaria De Biasi Direzione Tecnica Autostrada del Brennero SpA...credo che un giorno si utilizzerà l acqua come carburante e che l idrogeno e l ossigeno che la costituiscono, usati singolarmente o combinati, forniranno una fonte inesauribile di calore e di luce... Giulio Verne, L isola misteriosa, del Brennero, consapevole del fat- che l idrogeno rappresenta una forma di L Autostrada energia pulita che aumenta l efficienza della produzione energetica locale in senso ecologico e nel suo intento di prestare in modo attivo il proprio contributo ad un futuro a zero emissioni nel settore dei trasporti, ha sviluppato un progetto che, partendo da energie rinnovabili, quali l energia eolica, l energia geotermica, l energia idroelettrica prodotta da centrali ad acqua fluente nel periodo notturno e l energia prodotta da pannelli fotovoltaici, permette di realizzare lungo l intera tratta stazioni per la produzione di idrogeno (tramite elettrolisi) e la sua distribuzione ogni 100 km. Il primo impianto pilota verrà realizzato a Bolzano

2 Individuazione dell area di proprietà dell A22 per il primo impianto pilota: sorgerà a Bolzano Sud 2. Rendering progettuale del fabbricato, composto da tre blocchi (produzione idrogeno, impianto di stoccaggio e caricamento, sala conferenze e servizi) 3. Tra le molteplici applicazioni, anche una stazione di erogazione nel corso del 2008 in società con l Istituto per Innovazioni Tecnologiche (IIT), che ha come scopo la promozione delle energie rinnovabili sul territorio della Provincia Autonoma di Bolzano. Tale sito al servizio non solo dell autostrada, ma anche della viabilità ordinaria, permetterà di alimentare fin da subito flotte di mezzi pubblici già dotati di sistemi compatibili con tale energia. Inoltre, in via sperimentale l idrogeno verrà adottato come vettore energetico per la produzione di energia in sistemi a celle combustibili per l alimentazione di pannelli a messaggio variabile posti lungo l asta autostradale. CARATTERISTICHE DELL IDROGENO E SUO PROCESSO DI PRODUZIONE Prima di spiegare il motivo per cui si è individuata proprio questa località come sito di produzione e distribuzione dell idrogeno e prima di descrivere come verrà configurato, è sicuramente necessario illustrare in breve quali sono le caratteristiche dell idrogeno, i possibili metodi di produzione, le problematiche legate al trasporto ed allo stoccaggio ed i vantaggi che comporta il suo impiego a livello ecologico. Diverse sono le tecnologie utilizzate attualmente per la produzione dell idrogeno: steam reforming o ossidazione catalitica: oggi circa il 48% dell idrogeno prodotto è estratto dal gas naturale, metano, o da frazioni leggere di petrolio attraverso un processo di trasformazione in cui il metano reagisce con il vapore acqueo in un convertitore catalitico (generalmente di nichel) alla temperatura di 800 C. Il gas risultante contiene anche monossido di carbonio che, reagendo con il vapore, si trasforma in biossido di carbonio (anidride carbonica) facilmente eliminabile. Si tratta di una tecnologia ampiamente utilizzata soprattutto nell industria chimica, ma da ottimizzare da un punto di vista energetico, di impatto ambientale (l idrogeno utilizzato contiene impurità e produce anidride carbonica) e soprattutto di costi, in quanto l utilizzo su scala ridotta non è economicamente vantaggioso; gassificazione: processo che sfrutta la dissociazione molecolare, definita pirolisi, usata per convertire direttamente i materiali organici in gas mediante riscaldamento in presenza di ridotte quantità di ossigeno: essi sono completamente distrutti scindendone le molecole in molecole più semplici di monossido di carbonio, idrogeno e metano, che formano un gas di sintesi (syngas), costituito in gran parte da metano e anidride carbonica e a volte abbastanza puro da essere usato tal quale. Anche questo sistema è ampiamente impiegato su larga scala e può venire usato per carburanti liquidi e solidi, però non è economicamente vantaggioso per l impiego in piccole unità, anche perché l idrogeno richiede di essere ripulito dalle impurità; cicli termochimici: questi cicli coinvolgono ossidi metallici o reazioni ossidoriduttive. Sono allo studio cicli termochimici che, si spera, possano servire a produrre idrogeno da fonti di calore ad alta temperatura, come 3

3 60 I vantaggi dell idrogeno L idrogeno si presta a essere utilizzato come combustibile o nelle celle a combustibile o nei riscaldatori catalitici a bassa temperatura. In passato veniva utilizzato come gas di città. Qualsiasi idrocarburo addizionato con idrogeno migliora la combustione e il suo rendimento. Per questo motivo è in fase di valutazione l utilizzo di metano additivato con il 15 per cento in peso di idrogeno, corrispondente al 5 per cento in termini energetici. La combustione dell idrogeno non presenta particolari problemi e dà luogo ad emissioni inquinanti notevolmente inferiori agli altri combustibili: l unico prodotto inquinante è rappresentato dagli ossidi di azoto che si formano a causa della temperatura di combustione e, comunque, in misura minore rispetto ai combustibili fossili. Ovviamente, nel caso dell idrogeno, non vi sono idrocarburi incombusti, anidride solforica (come con il gasolio), né anidride carbonica. La combustione avviene con fiamma non luminosa, con temperatura della fiamma a rapporto stechiometrico più alta che nel metano (2400 K contro 2190 K). In rapporto al metano, con l idrogeno occorrono quantità volumetriche triple per ottenere lo stesso potere calorifico, ma la velocità di flusso è tre volte più alta, per cui è necessario apportare modifiche ai bruciatori a fiamma aperta. L energia da fornire per ottenere l accensione dell idrogeno in aria è notevolmente inferiore al metano, per cui esso si presta particolarmente per l utilizzo in riscaldatori catalitici a bassa temperatura. L idrogeno è l elemento ideale per le pile a combustibile, che sono attualmente oggetto di ricerca nell industria. Costituite da due elettrodi separati da un elettrolita, si differenziano dalle classiche pile in quanto gli elettrodi non subiscono modifiche di struttura nelle reazioni, ma fungono da supporto alle reazioni stesse, visto che i reagenti (idrogeno e ossigeno) provengono dall esterno con continuità. Sia i riscaldatori catalitici sia le celle a combustibile presentano il vantaggio di non dar luogo, se non in misura ridotta, alla formazione di ossidi di azoto (NOx). Un sistema già economicamente conveniente per l accumulo di energia sotto forma di idrogeno è rappresentato dall impiego delle centrali idroelettriche di generazione e di pompaggio, qualora non siano disponibili bacini di accumulo o nei periodi di basso consumo. La costruzione di grosse dighe in località lontane dai centri di consumo trarrebbe però giovamento dalla diffusione delle celle a combustibile, essendo troppo onerosa, in senso sia economico sia ambientale, la costruzione di lunghi elettrodotti. Il motivo per cui si preferiscono gli elettrodotti, malgrado le perdite di carico, va cercato quindi nel rendimento che consentono di ottenere. Infatti, dal punto di vista termodinamico, è sempre preferibile energia coerente (elettrica) che incoerente (fluido). il solare termico ed il fotovoltaico; produzione biologica: allo scopo di abbattere drasticamente i costi di produzione e l impatto sull ambiente delle fonti energetiche, si sta studiando l utilizzo di energia solare abbinata a sistemi biologici, come alghe, microrganismi ingegnerizzati, rifiuti organici. In particolare, gli studi sono rivolti all ingegneria genetica per ottimizzare la produzione di idrogeno da parte di microrganismi fotosintetici; elettrolisi: processo che trasforma energia elettrica in energia chimica, scindendo l acqua nei suoi componenti (idrogeno e ossigeno). Si tratta di un processo industriale maturo, ben noto e collaudato, e disponibile a livello commerciale, che consente di ottenere idrogeno puro, utilizzando 4-5 kilowatt-ora di energia elettrica per ogni metro cubo di idrogeno prodotto. Attualmente il costo dell elettricità è fino a tre o quattro volte superiore a quello del metano impiegato per lo steam reforming, motivo per cui attualmente questo metodo è utilizzato in alcuni grandi impianti sorti in vicinanza di centrali idroelettriche, che producono elettricità a basso costo e in modo continuativo, utilizzando le ore di basso consumo (per esempio notturne) e ottimizzando così il rendimento. 4 Tuttavia, l elettrolisi può diventare economicamente accettabile in prospettiva, in seguito ad innovazioni tecnologiche o utilizzo di energia prodotta da fonti rinnovabili. Una tecnologia che sembra costituita ad hoc per la produzione dell idrogeno è quella dei pannelli solari 4. Dislocazione dei cinque siti individuati per la distribuzione dell idrogeno lungo l A22 5. Un altro punto di vista sul sito produttivo di Bolzano Sud (rendering) 6,7. Planimetria e prospetto della nuova struttura

4 61 5 fotovoltaici. In genere, comunque, tutti i sistemi di produzione alternativi (solare termico, eolico, geotermico) trarrebbero vantaggio dalla produzione di idrogeno. Per una panoramica più completa sui vantaggi derivanti dall impiego di questa tecnologia, comunque, rimandiamo al box dedicato. SICUREZZA E IMPATTO AMBIENTALE L'idrogeno è un combustibile a bassissimo livello di inquinamento: la combustione in aria produce acqua e, ad alta temperatura e miscele povere, quantità non trascurabili di ossidi di azoto, che scompaiono se si arricchisce la miscela, ottenendo idrogeno incombusto e tracce di ammoniaca. La quantità di calore trasferita al mezzo nella combustione di idrogeno è, a parità di peso, un terzo di quella prodotta con gli idrocarburi. La produzione di idrogeno per mezzo di fonti rinnovabili è da considerarsi la soluzione ottimale perché né in fase di produzione né in fase di consumo si ha la formazione di molecole inquinanti. Nonostante l ampiezza delle curve di infiammabilità e di esplosione, i rischi connessi all estrema volatilità dell idrogeno possono essere evitati dotando gli impianti di adeguati sfiati che impediscano il ristagno. 6 7 RIFORNIMENTO DI IDROGENO LUNGO L A22 Nell arco alpino si ha la concreta possibilità di ottenere idrogeno da fonti rinnovabili, attraverso l utilizzo dell energia idroelettrica. L idrogeno rappresenta, peraltro, una forma di energia pulita ed aumenta l efficienza della produzione energetica locale in senso economico ed ecologico. L uso di idrogeno abolisce gli impatti sulla salute e sull ambiente causati da carburi fossili e riduce le emissioni di anidride carbonica. L A22 è socia con la Provincia Autonoma di Bolzano dell Istituto per Innovazioni Tecnologiche (IIT) Scarl, con sede a Bolzano, che svolge prettamente attività di ricerca e di innovazione e che, in futuro, intende estendere la compagine societaria ad altri soggetti sia istituzionali che privati al fine di realizzare un progetto complessivo lungo tutta l asse Brennero-Modena.

5 62 Esempi applicativi Applicazione autobus Consumo medio di un autobus ad idrogeno: 270 Nm 3 /100 km (circa 22,6 kg/100 km) Percorso giornaliero medio delle SASA di Bolzano: 210 km Consumo medio giornaliero per autobus ad idrogeno: 567 Nm 3 /giorno (circa 47,6 kg H2) Capacità dell impianto di gestire almeno 10 autobus ad idrogeno in prima fase Capacità dell impianto di gestire almeno 15 autobus ad idrogeno in seconda fase dopo l ampliamento Applicazione autovetture Consumo medio di un autovettura ad idrogeno: circa 20 Nm 3 /100 km (circa 1,7 kg H2) Percorso medio giornaliero di un autovettura: 40 km Consumo medio giornaliero di un autovettura ad idrogeno: 8,0 Nm 3 /giorno (circa 0,67 kg H2) Capacità dell impianto di gestire almeno 720 autovetture ad idrogeno in prima fase Capacità dell impianto di gestire almeno autovetture ad idrogeno in seconda fase dopo l ampliamento Sostituzione di carburanti fossili 1 Nm 3 di idrogeno sostituisce circa 0,345 litri di benzina o 0,292 litri di diesel Nell ambito del programma di sviluppo industriale redatto dall IIT, che prevede la costruzione di una stazione di rifornimento di idrogeno ogni 100 km lungo la tratta Modena-Monaco, l Autostrada del Brennero ha individuato alcune aree particolarmente adatte per la produzione e distribuzione di idrogeno liquido prodotto da energie rinnovabili. Tali siti, nell ambito del progetto di massima in oggetto, sono stati ubicati in corrispondenza del Passo del Brennero, Bolzano Sud, Nogaredo, innesti con la A4 e l A1. Va sottolineato che, alla base del processo di produzione di idrogeno tramite il sistema di idrolisi, vi sono diverse tipologie di energie rinnovabili. In particolare per quanto concerne il sito di Brennero è stata individuata l energia eolica come energia da sfruttare nel processo produttivo. In particolare, in corrispondenza di Bolzano l utilizzo di energia idroelettrica prodotta da centrali ad acqua fluente nel periodo notturno; in corrispondenza di Nogaredo attraverso la barriera fotovoltaica attualmente in fase di realizzazione. L IMPIANTO PILOTA DI BOLZANO SUD Presso la stazione autostradale di Bolzano Sud è stata individuata un area di proprietà dell Autostrada del Brennero SpA sulla quale realizzare il primo impianto pilota per la produzione e distribuzione di idrogeno a servizio dell A22 e del territorio circostante. L installazione del suddetto impianto dimostrativo per la produzione di idrogeno ha lo scopo di favorire la creazione di nuove attività nel settore artigianale ed industriale, di sviluppare un ampio know how riguardante la Flusso energetico 8 tecnologia dell idrogeno e di promuovere più in generale le energie rinnovabili. Diverse sono le motivazioni che hanno portato alla sua scelta. Innanzitutto, si è considerata la sua dislocazione geografica, strategica in quanto a circa metà del tratto Monaco-Modena individuato dal programma di sviluppo industriale dell IIT e alla periferia di una città, Bolzano, che è già impegnata allo sviluppo di energie alternative. Inoltre, l area individuata permetterà di sfruttare tale sito di produzione ed erogazione anche per il rifornimento di flotte di mezzi pubblici della Provincia di Bolzano, ora alimentati a metano, ed essere utilizzato anche da veicoli privati. Il fabbricato è stato concepito, sotto il profilo funzionale ed architettonico, con tre blocchi collegati tra loro. Il primo sarà destinato alla produzione dell idrogeno per 8. Flusso energetico

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