SIDERA 30 La cogenerazione con celle a combustibile

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1 La cogenerazione con celle a combustibile Alberto Zerbinato Alta tecnologia del calore 1

2 Il problema dell energia c è da sempre 2 2

3 Consumo energetico e sviluppo socio economico 1. Fattore geoclimatico 2. Fattori tecnologico 3. Fattore demografico 3 3

4 Prospettive future Mtoe Coal, lignite Oil Natural gas Prim. Electricity Wood and wastes 4 4

5 Conseguenze: incremento delle sostanze inquinanti Mt of CO European Union USA India Japan EU & Accession Countries Brazil China 5 5

6 GAS NATURALE: Andamento della produzione nazionale dal La produzione nazionale ha registrato l ennesima riduzione, scendendo nel 2007 sotto la soglia dei 10 G(m3). Come previsto dal Ministero dello sviluppo economico, nel 2007 la produzione si è fermata infatti a M(m3), diminuendo di ulteriori 11,7 punti percentuali rispetto al La quota della produzione nazionale sul totale dei consumi si è quindi ulteriormente ridotta al 12,5%, dal 14% dello scorso anno 6

7 GAS NATURALE: Immissioni in rete nel 2006 e nel 2007 M(m3) 7 Nonostante la riduzione delle quantità importate rispetto al 2006, la dipendenza dell Italia dalle importazioni resta sensibilmente elevata. Secondo i dati preconsuntivi del Ministero dello sviluppo economico, nel 2007 sono stati importati M(m3), il 4,1% di gas in meno rispetto al 2006, complessivamente l 87% del gas immesso in rete. Le principali fonti di approvvigionamento via gasdotto, entrambe extracomunitarie, sono la Russia e l Algeria. 7

8 GAS NATURALE: usi finali nel 2007 valori in Mm3 Fonte: Enerdata 8 Come si evince dall immagine riportata quasi la metà del gas naturale distribuito è utilizzato per utilizzi domestici. Di fatto è impiegato in caldaie che lo trasformano in acqua calda per il riscaldamento delle abitazioni. La domanda che sorge è: è ben utilizzato? E la migliore delle trasformazioni possibili e lo rimarrà nel tempo? 8

9 Oggi è sempre più sentita la necessità di cercare nuove alternative. Perché? 1. Aumentare il fabbisogno 2. Diminuire i consumi 3. Diminuire le immissioni inquinanti 4. Non dipendere dal petrolio ed i suoi derivati 9 Aumentare difficilmente va d accordo con diminuire 9

10 EVOLUZIONE NORMATIVA NEGLI ULTIMI DIECI ANNI 10 Cos è cambiato nelle regole, nelle leggi? Perché le normative europee cambiano le regole? In una parola la LIBERALIZZAZIONE della vendita dell energia 10

11 Scenario internazionale politiche di efficienza energetica Le Direttive europee 96/92/CE e 98/30/CE sanciscono la liberalizzazione dei mercati rispettivamente dell energia elettrica e del gas. 11 L intento è di introdurre quegli elementi di concorrenza in grado di togliere ai governi gli strumenti monopolistici spesso usati in modo coercitivo. La speranza è quella di abbassare i costi della politica energetica cedendo agli strumenti più propriamente di mercato il compito di ottimizzare l efficacia e la remunerazione degli investimenti 11

12 Liberalizzazione dei mercati energetici nuove normative D.Lgs. 79/99 Bersani recepisce la 96/92/CE D.Lgs. 164/00 Letta recepisce la 98/30/CE Decreto legislativo 16 marzo 1999, n Attuazione della direttiva 96/92/CE recante norme comuni per il mercato interno dell'energia elettrica. 12 Bersani: liberalizzazione energia elettrica; introduzione di obiettivi di risparmio energetico Letta: liberalizzazione del mercato Italiano del gas; introduzione di obiettivi di risparmio Decreto legislativo 16 marzo 1999 Art 3, comma 3:. L'Autorita' prevede, inoltre, l'obbligo di utilizzazione prioritaria dell'energia elettrica prodotta a mezzo di fonti energetiche rinnovabili e di quella prodotta mediante cogenerazione Art 4, comma4:. garantire la diversificazione delle fonti energetiche, anche con la utilizzazione delle energie rinnovabili e dell'energia prodotta mediante cogenerazione. 12

13 Liberalizzazione dei mercati energetici nuove normative Legge 239/04 Marzano - Riordino del settore energetico, nonché delega al governo per il riassetto delle disposizioni vigenti in materia di energia 13 13

14 Liberalizzazione dei mercati energetici nuove normative Recepimento delle nuove direttive europee art. 15 e 16 della legge (delega) n.62 del 18 apr Disposizioni per l adempimento di obblighi derivanti dall appartenenza dell Italia alle Comunità europee. Legge comunitaria 2004 che impongono al governo italiano di recepire entro maggio 2006 le Direttive europee (54 e 55 del 2003). 14 Gli argomenti cardine sono: apertura del mercato a tutti i clienti promozione della concorrenzialità nel mercato monitoraggio del funzionamento della borsa elettrica sviluppo del mercato delle rinnovabili definizione della durata delle concessioni e sicurezza approvvigionamenti Promozione della penetrazione delle imprese nazionali sul mercato europeo 14

15 Liberalizzazione dei mercati energetici nuove normative Direttiva 2004/8/Ce - Promozione della cogenerazione basata su una domanda di calore utile nel mercato interno dell'energia viene pubblicato lo schema del Decreto legislativo sulla promozione della cogenerazione ad alto rendimento Legge n 20 in attuazione della direttiva 2004/8/CE sulla promozione della cogenerazione basata su una domanda di calore utile nel mercato interno dell energia 15 Direttiva 2004/8/CE La presente direttiva intende accrescere l'efficienza energetica e migliorare la sicurezza dell'approvvigionamento creando un quadro per la promozione e lo sviluppo della cogenerazione ad alto rendimento di calore ed energia, basata sulla domanda di calore utile e sul risparmio di energia primaria, nel mercato interno, tenendo conto delle specifiche situazioni nazionali, in particolare riguardo alle condizioni climatiche e alle condizioni economiche. Promozione della cogenerazione Chi la sceglie avrà benefici sia in termini di semplificazioni, sia in termini di una assegnazione più vantaggiosa di titoli che attestano il risparmio energetico, i cosiddetti certificati bianchi. 15

16 Liberalizzazione dei mercati energetici nuove normative DIRETTIVA 2006/32/CE DEL PARLAMENTO EUROPEO E DEL CONSIGLIO del 5 aprile 2006 concernente l'efficienza degli usi finali dell'energia e i servizi energetici e recante abrogazione della direttiva 93/76/CEE 16 Gli Stati membri adottano e mirano a conseguire un obiettivo nazionale indicativo globale di risparmio energetico, pari al 9 % per il nono anno di applicazione della presente direttiva da conseguire tramite servizi energetici e ad altre di miglioramento dell'efficienza energetica. Gli Stati membri adottano misure efficaci sotto il profilo costi-benefici, praticabili e ragionevoli, intese a contribuire al conseguimento di detto obiettivo. Da recepire entro il 17 maggio

17 Normativa correlata alle applicazioni di micro e piccola cogenerazione 2007 Approvazione delle procedure per la qualificazione di impianti a fonti rinnovabili e di impianti a idrogeno, celle a combustibile e di cogenerazione abbinata al teleriscaldamento ai fini del rilascio dei certificati verdi (Decreto del Ministro dello Sviluppo Economico di concerto col Ministro dell Ambiente e della Tutela del Territorio e del Mare del 21/12/2007) Scambio sul posto per cogenerazione sotto i 200kW di potenza elettrica (Delibera ARG/elt 74/08) 17 Scambio sul posto Precedentemente lo scambio sul posto era possibile solo fino a 20 kw; per potenze superiori era necessario essere Officina Elettrica Con questa delibera vengono agevolati tutti i gestori che intendono installare piccoli cogeneratori 17

18 Normativa correlata alle applicazioni di micro e piccola cogenerazione IL D.LGS. N. 115/2008 DI ATTUAZIONE DELLA DIRETTIVA 2006/32/CE EFFICIENZA NEGLI USI FINALI DELL ENERGIA Art 1, lettera t: Sistema efficiente di utenza (SEU) 18 E il sistema in cui un impianto di produzione di energia elettrica, con potenza non superiore a 10 MWe e complessivamente installata sullo stesso sito, alimentato da fonti rinnovabili o in assetto cogenerativo ad alto rendimento, anche nella titolarità di un soggetto diverso dal cliente finale, è direttamente connesso, per il tramite di un collegamento privato, all impianto per il consumo di un solo cliente finale ed è realizzato all interno dell area di proprietà o nella piena disponibilità del medesimo cliente. 18

19 Normativa correlata alle applicazioni di micro e piccola cogenerazione Schema del , ora sostituito da D.LGS. N. 115/2008 DI ATTUAZIONE DELLA DIRETTIVA 2006/32/CE EFFICIENZA NEGLI USI FINALI DELL ENERGIA Lo schema prevedeva nel CAPO 3, art 10 il comma 1 qui di seguito riportato 19 Questo elemento perduto nella versione finale del decreto avrebbe aperto finalmente la strada alla generazione distribuita nelle strutture condominiali. Ora rimane nel DLgs 115 la sola definizione di Sistema efficiente di utenza (SEU) di non facile interpretazione. 19

20 Normativa correlata alle applicazioni di micro e piccola cogenerazione atto del senato n.1195 approvato il 14 maggio 2009 in materia di sviluppo e internazionalizzazione delle imprese ART 62: Misure per la sicurezza e potenziamento settore energetico: ART 30 misure per l'efficienza nel settore energetico 20 Articolo 62 Comma 4: comuni fino a residenti : possono usufruire dello scambio sul posto fino a 200kW per energia autoprodotta a copertura dei propri fabbisogni, senza obbligo di coincidenza tra contatore di immissione e contatore di prelievo. comma 9: piano straordinario per l'efficienza ed il risparmio energetico entro 31/12/2009 d) incentivi per esco e tutta filiera del risparmio energetico e)incentivazione per microcogenerazione e piccola cogenerazione f) sviluppo del meccanismo dei certificati bianchi e verdi g)semplificazione amministrativa per generazione distribuita!!! i) misure per piccole e medie imprese per incentivare autoproduzione elettrica all'efficienza elettrica ed all'adozione di sistemi di cogenerazione comma 18 per micro e piccola cogenerazione servirà solo una dia (semplificazione amministrativa) comma 19: scambio sul posto per aree comunali: i comuni possono destinare aree disponibili per realizzare impiantii per l'erogazione dell'energia in conto energia e scambio sul posto (cogenerazione e fotovoltaico) dell'energia elettrica prodotta. da cedere ai privati cittadini che vogliono usufruire degli incentivi di conto energia e sottoscrivere contratti di scambio energetico con gestore rete. comma 20: condomini per interventi volti al contenimento dei consumi energetici. serve la maggioranza semplice dei presenti in assemblea Articolo 30 comma 11: sostegno della cogenerazione: regime di sostegno per la cogenerazione ad alto rendimento per un periodo non inferiore a 10 anni decreto da emanare entro 6 mesi da 14 maggio comma 12: prolungamento della finestra temporale per ottenimento certificati verdi con teleriscaldamento mediante cogenerazione ad alta efficienza fino al 2009 comma 16: per la microcogenrazione ad alto rendimento sono stabilite semplificazioni fiscali per accise 20

21 Possibili soluzioni Fonti rinnovabili Celle a combustibile Nucleare Cicli combinati Cogenerazione 21 21

22 PRESENTAZIONE TECNICA DI SIDERA

23 : rappresentazione schematica del sistema Impianti a celle a combustibile Dipende dalla tipologia di cella Ossigeno Gas esausti Combustibile Reforming Combustibile (H 2 ) Fuel cell Corrente continua Convertitore elettronico di potenza Corrente alternata Calore Calore Acqua 23 Tre sezioni principali: Sezione di trattamento del combustibile Sezione elettrochimica Sistema di condizionamento della potenza elettrica 23

24 : rappresentazione schematica del sistema Il bruciatore catalitico, senza presenza di fiamma, è alimentato inizialmente a metano. 24 La sue funzioni principali sono: Innalzamento della temperatura del reformer per l attivazione delle reazioni catalitiche; Produzione di vapore da iniettare nel processo assieme al metano Combustione del residuo anodico (idrogeno superfluo) 24

25 : rappresentazione schematica del sistema Iniezione di H2O per la produzione di vapore da miscelare con il combustibile Steam reforming catalitico La reazione chimica endotermica è: CH4 + H2O 3H2 + CO Desolforazione 25 Desolforazione Il gas viene fatto passare attraverso un filtro al fine di togliere i composti dello zolfo (i mercaptani aggiunti al gas metano allo scopo di odorizzarlo) Questi composti sono pericolosi per la vita della membrana Reazione di steam reforming Una portata di gas e una di vapor acqueo passano attraverso un letto di catalizzatore, mantenuto ad elevata temperatura ( C) grazie all apporto di calore ottenuto da recupero termico o da combustione. Il gas così trattato contiene idrogeno al 50 60%. 25

26 : rappresentazione schematica del sistema Primo scambio termico WATER GAS SHIFT CO + H 2 O CO 2 + H 2 2-5% CO Secondo scambio termico Ossidazione selettiva (PrOx) CO O2 CO2 Ultimo raffreddamento dell idrogeno 26 Primo scambiatore di calore I gas attraversano il primo scambiatore e vengono raffreddati da una temperatura di circa 700 / 800 C ad una temperatura al di sotto dei 400 C. Reazione di Water gas shift consiste nel far migrare, attraverso opportuni catalizzatori, un atomo di ossigeno dalla molecola dell acqua a quella del CO, nel contempo, ottenendo una molecola di idrogeno. Spostamento ad alta temperatura ( C) Secondo scambiatore di calore I gas attraversano il secondo scambiatore e vengono raffreddati da una temperatura di circa 400 C ad una temperatura al di sotto dei 200 C Condizionamento finale nel fuel processor PrOx Il processo consiste nel far passare il gas trattato attraverso un catalizzatore selettivo, singolo o multistadio, a temperature dell ordine dei C. Il gas che si ottiene ha un contenuto di CO da 2 a 50 ppm, adatto ad alimentare le celle PEM Ultimo raffreddamento dell idrogeno prima di essere incanalato verso le celle a combustibile 26

27 : rappresentazione schematica del sistema 27 Il fuel processor alimenta 4 stack di celle a combustibile La portata di alimentazione è superiore a quella strettamente necessaria e quindi genera un eccesso anodico che verrà inviato al bruciatore Il processo è a flusso continuo evitando problematiche di stoccaggio del gas 27

28 : rappresentazione schematica del sistema 28 La reazione nella cella consiste nella rottura del legame della molecola dell idrogeno attraverso una reazione catalitica in presenza di platino. La rottura del legame libera un elettrone che produce una corrente nel circuito anodo-catodo La membrana, permeabile all idrogeno protonico, si lascia attraversare dall idrogeno che nel lato del catodo incontra l aria e si ossida formando acqua. La reazione avviene a temperatura ambiente ed è esotermica. L acqua per raffreddare la cella si porta ad una temperatura media di 70/80 C. 28

29 : rappresentazione schematica del sistema Una cella a combustibile è definita come un dispositivo elettrochimico in grado di convertire in maniera continua energia chimica in energia elettrica: come una batteria, un semplice apparato galvanico, una fuel cell produce energia elettrica, ma diversamente da essa i reagenti vengono continuamente riforniti ed i prodotti continuamente rimossi, così che la fuel cell non immagazzina energia ma la eroga in continuo. Già nel 1839 Sir William Grove dimostrò per primo la fattibilità di un dispositivo, seppur rudimentale, basato su una fuel cell ad idrogeno; circa un secolo dopo, nel 1932, Francis Bacon produsse con successo un simile dispositivo nell ambito del primo grande progetto sulle FC. Successivamente, negli anni 60, tale tecnologia venne applicata nei programmi spaziali Gemini ed Apollo

30 : rappresentazione schematica del sistema La conducibilità protonica del Nafion è in stretta correlazione con il suo stato idrato: in condizioni di limitata idratazione il materiale si presenta come scarso conduttore ionico e la sua conduttività aumenta bruscamente con il contenuto d acqua. Il fenomeno è dovuto alla particolare struttura del materiale: gli ioni SO3- sono connessi permanentemente alla catena e non possono muoversi, quando la membrana viene idratata gli stessi legano le molecole d acqua. Gli ioni idrogeno H+ possono quindi acquisire mobilità legandosi a loro volta alle molecole acquose presenti, tramite legami idrogeno, e muovendosi tra i siti solfonici all interno della membrana. Grazie a questo meccanismo la membrana elettrolitica, se opportunamente idratata, è un eccellente conduttore di ioni idrogeno, e proprio per questo i gas reagenti vengono umidificati prima di essere introdotti nella cella

31 : rappresentazione schematica del sistema 31 La struttura atomica del Nafion assomiglia a quella del teflon, anche dal punto di vista fisico. La caratteristica particolare del trasporto dell idrogeno è permessa dai legami solfonici della molecola. 31

32 : rappresentazione schematica del sistema Configurazione degli elettrodi Gli elettrodi o layers catalizzatori sono strutture 3d complesse, composte da materiali differenti assemblati in un mix eterogeneo, responsabili della stimolazione delle due semireazioni. Generalmente un layer viene prodotto sulla base di un catalizzatore metallico, estremamente caro, opportunamente disperso su di un substrato di supporto di un altro materiale, meno costoso

33 : rappresentazione schematica del sistema Configurazione degli elettrodi Un buon catalizzatore deve essere sufficientemente reattivo nel legare gli intermedi dell idrogeno H e dell ossigeno O, condizione necessaria per facilitare i processi elettrodici, oltre a garantire un rilascio efficace degli intermedi stessi per formare i prodotti finali. Per esempio, il processo anodico richiede dei siti attivi di Pt, o di altri metalli nobili, nel legare i singoli atomi H quando le molecole di H2 reagiscono, successivamente gli stessi siti devono rilasciare gli atomi H sotto forma di H+ ed e-: H2 + 2 Pt 2 Pt-H 2 Pt-H 2 Pt + 2 H+ + 2 e

34 : rappresentazione schematica del sistema Configurazione degli elettrodi Un catalizzatore di questo tipo deve avere inoltre un elevata area superficiale accessibile alle molecole di gas ed incrementare quindi la resa di reazione. Quest ultima condizione viene soddisfatta utilizzando particelle molto piccole, del diametro di qualche nm, che consentono anche di limitare la quantità di catalizzatore necessaria a pochi decimi di mg. Un buon substrato deve possedere invece un elevata porosità per assicurare una omogenea diffusione dei gas reattivi al suo interno, ed essere anche un buon conduttore elettrico, così che gli elettroni possano muoversi liberamente attraverso l elettrodo

35 : rappresentazione schematica del sistema Configurazione degli elettrodi Uno dei modi migliori per soddisfare tutte queste condizioni è quello di costruire degli elettrodi di carbonio poroso, grafite, sui quali vengano disperse piccole particelle di Pt. La porosità della grafite garantisce la diffusione necessaria ai gas reagenti, la buona conduttività elettrica dei due elementi permette agli elettroni di muoversi liberamente nell elettrodo, e le piccolissime dimensioni delle particelle di Pt,circa 2 nm di diametro, consentono di avere un elevatissima area di contatto tra il catalizzatore ed i reagenti oltre ad assicurare la simultanea reattività di più siti sulla faccia dell elettrodo

36 : rappresentazione schematica del sistema Configurazione degli elettrodi L alta dispersione del catalizzatore è uno dei punti chiave per ottenere un significante flusso di elettroni, ovvero corrente, in una cella. Membrana polimerica con elettrodi porosi composti da particelle di platino uniformemente disperse su particelle di carbonio 36 36

37 : rappresentazione schematica del sistema Configurazione degli elettrodi All interno di ogni singola cella sono presenti due elettrodi, uno all anodo l altro al catodo, e fanno come da sandwich per la membrana, vengono legati a caldo su entrambi i lati della membrana Nafion, quando questo si trova allo stato rifuso, per comporre l assemblato membrana-elettrodo (MEA)

38 : rappresentazione schematica del sistema Configurazione degli elettrodi 38 38

39 : rappresentazione schematica del sistema Confronto teorico - sperimentale Curva caratteristica nominale di una cella: tensione densità di area Dati sperimentali Curva caratteristica teorica: tensione densità di corrente 39 39

40 : rappresentazione schematica del sistema 8 Acqua alta temperatura Gas naturale Aria Acqua bassa temperatura Acqua media temperatura Acqua Esausto anodico Collegamenti elettrici Idrogeno / syn gas 40 L architettura completa della macchina prevede un circuito di raffreddamenemto del fuel processor e degli stack; uno scambiatore a piastre per separare l acqua di raffreddamento del sistema da quella dell impianto; Un ventilatore per l alimentazione dell aria al catodo; Un inverter per la trasformazione della corrente e per la gestione del parallelo rete Un eventuale caldaia di back up e un circuito di dispersione termica qualora l impianto non fosse in grado di garantire la dissipazione del calore. 40

41 Caratteristiche tecniche Sidera 30 CARATTERISTICHE TECNICHE NOMINALI SIDERA30 POTENZA ELETTRICA PRODOTTA kwe 30 TENSIONE V 3/400 CORRENTE A 44 FREQUENZA Hz 50 RENDIMENTO ELETTRICO maggiore del % 30,0 POTENZA TERMICA PRODOTTA kw 45 PORTATA ACQUA RISCALDAMENTO l/h 3956 TEMP. MANDATA ACQUA RISCALDAMENTO C 70 RENDIMENTO TERMICO maggiore del % 50,0 RENDIMENTO GLOBALE maggiore del % 80,0 TENSIONE DI ALIMENTAZIONE V 230 CONSUMO METANO (GAS NATURALE DI RETE) m 3 /h 10 DIMENSIONI INDICATIVE mm 850x2450x

42 Riepilogo input - output INPUT Metano GPL Metanolo Bio gas Steam Reformer Water gas shift Prox OUTPUT ENERGIA TERMICA ENERGIA ELETTRICA Celle a combustibile 42 L alimentazione potrebbe essere fatta anche con altri tipi di combustibile di provenienza fossile o biologica L energia termica prodotta è il complemento al 85% dell efficienza complessiva; ma il vero confronto con altre tecnologie è sulla qualità dell energia trasformata ovvero: la percentuale di energia elettrica la temperatura dell acqua di raffreddamento della macchina la possibilità di modulare il carico dal giorno alla notte 42

43 43 La struttura esistente degli impianti può essere modificata concentrando la produzione dell energia in un unico punto. In questo modo sarà possibile prevedere la sostituzione delle tecnologie man mano che saranno disponibili. 43

44 Grazie per la vostra attenzione Alta tecnologia del calore ICI Caldaie Via G. Pascoli, Zevio - fraz. Campagnola - VERONA - ITALIA Tel. 045/ Fax 045/ info@icicaldaie.com

45 FONTI RINNOVABILI Tipologie di fonti rinnovabili Efficienza Energetica Idroelettrico Geotermia Biomasse Fotovoltaico Eolico Solare termico 45 45

46 Cella a combustibile Sistema elettrochimico che converte l energia chimica del combustibile in energia elettrica. Funziona in modo analogo ad una batteria, ma a differenza di quest ultima consuma sostanze provenienti dall esterno ed è quindi in grado di funzionare senza interruzioni, finché al sistema viene fornito combustibile (idrogeno) ed ossidante (ossigeno o aria)

47 Nucleare Una centrale nucleare media produce circa 1000 Mw bruciando poche tonnellate di uranio, che può essere estratto, oltre che in miniera, in quantità quasi infinita dall'acqua di mare e da altri materiali comuni. Una centrale nucleare media produce circa 1000 Mw bruciando poche tonnellate di uranio, che può essere estratto, oltre che in miniera, in quantità quasi infinita dall'acqua di mare e da altri materiali comuni. Le centrali nucleari, in condizioni di funzionamento normale, hanno un impatto ambientale minore delle centrali a carbone o a metano e non producono né anidride carbonica né ceneri. Il problema è che si ha produzione di scorie nucleari, estremamente antipatiche da trattare. Al momento l'unico modo serio di disfarsi delle scorie è metterle in bidoni adeguatamente schermati in posti geologicamente stabili e adeguatamene monitorati

48 Ciclo combinato Ripotenziando le centrali a vapore di cogenerazione esistenti con cicli combinati,a pari utenza termica: la P el aumenta del 300% Il rendimento elettrico passa dal 28% al 47% Il rendimento complessivo passa dal 59% al 68% 48 48

49 Cogenerazione 49 49