In campo energetico la richiesta è sempre più grande, la disponibilità di risorse

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1 Produzione sostenibile di energia di Barbara Bosio, Elisabetta Arato e Paolo Costa Ricerca e Innovazione In campo energetico la richiesta è sempre più grande, la disponibilità di risorse sempre più scarsa, la produzione sempre più indiziata di danni ecologici: mai come oggi è apparso necessario un assoluto rigore morale e professionale per gestire efficacemente l innovazione tecnologica, consapevoli che oltre la civiltà dello spreco, per molti popoli l indigenza è drammatica. Fino a pochi decenni fa gli indicatori più utilizzati per stabilire il livello di sviluppo di una civiltà industriale erano il consumo pro capite di alcuni intermedi fondamentali del ciclo produttivo: l acciaio, l acido solforico e soprattutto l energia. A partire dalla prima crisi energetica degli anni Settanta, la qualità è diventata rapidamente più importante della quantità e la razionalizzazione dei consumi è parsa preferibile alla loro espansione. Parallelamente si è imposto sempre di più il problema dell inquinamento ambientale connesso alla produzione energetica. Sappiamo che oggi le emissioni di gas a effetto serra (in particolare CO 2 ), gas acidi (SO x, NO x ), gas attivi sull ozono e polveri sono arrivate a implicare gravi ripercussioni sulla salute pubblica e preoccupanti cambiamenti climatici. È dunque necessaria una soluzione efficace, subito. Il ruolo della produzione pulita e dell uso razionale dell energia nella moderna tecnologia diventa così sempre più centrale sia per il crescere del livello di sviluppo sia nel maturare di nuove consapevolezze di lunga prospettiva con fondamento macroeconomico, geometeorologico, ecologico ed etico. Un ritorno al passato? Oggi si intende sfruttare sempre più l energia del sole, del vento, dell acqua e della terra con processi alternativi alla combustione. Sebbene storicamente questo approccio sia sempre stato minoritario, appare quasi come un ritorno al passato, ma con tecnologie nuove ad alto rendimento energetico e mediante processi ottimizzati. Sembra che già Socrate parlasse di una casa capace di sfruttare l energia solare. Certo è che attualmente si incentiva l uso domestico di pannelli solari e fotovoltaici sempre più efficienti e si stanno progettando impianti da oltre 60 MW elettrici. E se i primi mulini a vento usati per macinare cereali o pompare acqua risalgono al 200 a. C., oggi le cosiddette fattorie del vento sono vere e proprie centrali elettriche localizzabili anche in mare aperto (Olanda, Svezia e Danimarca producono DiarioEuropeo 85

2 così circa 30 MW). La potenza dell acqua come fluido in movimento è nota dall antichità. Oggi a fianco dei collaudati impianti a turbine per la produzione idroelettrica, sorgono i primi sistemi che sfruttano l energia delle maree e delle onde. Il terreno, infine, ci offre diverse potenzialità energetiche: da quella geotermica ai gradienti di temperatura del sottosuolo o agli stessi prodotti vegetali della terra. Si torna così a bruciare la legna, ma con attenzione sempre maggiore all ambiente in termini di emissioni nocive. Le materie prime combustibili, inoltre, possono essere sfruttate anche con tecnologie profondamente diverse dalla semplice combustione. Processi di conversione termochimica, quali la pirolisi e la gassificazione, consentono la conversione di combustibili solidi in gas ricchi in idrogeno capaci di essere utilizzati in celle a combustibile, cioè reattori elettrochimici in grado di convertire l energia chimica del combustibile direttamente in energia elettrica con elevati rendimenti e basso impatto ambientale. Un simile approccio sposa l uso di processi alternativi e lo sfruttamento di combustibili rinnovabili in una soluzione molto promettente. I combustibili rinnovabili sono essenzialmente rappresentati dalla biomassa, cioè materia organica, prevalentemente vegetale, sia spontanea sia coltivata, prodotta per effetto del processo di fotosintesi clorofilliana, nonché, indirettamente, da tutti i prodotti organici derivanti dall attività biologica degli animali e dell uomo; insomma, la biomassa si presenta come il più efficace stoccaggio naturale dell energia solare. Il suo utilizzo è particolarmente interessante se messo in relazione alle politiche ambientali in atto per fronteggiare l effetto serra; la biomassa infatti contiene carbonio organico che già partecipa al ciclo del carbonio, mentre i combustibili fossili contengono carbonio che è stato sottratto al ciclo ere fa. Nel primo caso la combustione produce CO 2 che verrebbe comunque rilasciata dalla decomposizione con un incremento netto nullo, mentre nel secondo caso la produzione di CO 2 si aggiunge al ciclo attuale. Esempi di combustibili rinnovabili sono legno e scarti forestali, prodotti e residui agricoli, ma anche rifiuti solidi urbani, fanghi da depurazione delle acque di scarico, deiezioni animali. Il vettore energetico del futuro La distinzione tra risorse energetiche primarie, fossili (esempio carbone) o rinnovabili (a cominciare dal sole), e processi per la produzione dell energia, tradizionali (combustione) o alternativi (per esempio fotovoltaico), può essere naturalmente completata introducendo il mezzo o meglio il vettore che idealmente le collega. Di grande attualità è oggi l idrogeno, vettore energetico, per esempio, nel già citato processo di produzione pulita di energia tramite celle a combustibile a partire dalla biomassa. Il ruolo è analogo a quello dell energia elettrica: si tratta sempre di un vettore di energia; ma l importante differenza è che l energia elettrica viene usata quando viene 86 DiarioEuropeo

3 prodotta, mentre l idrogeno può essere immagazzinato. Si sa che l idrogeno, pur costituendo circa il 75% dell universo, è presente sulla terra solo in forma combinata, per esempio nell acqua e nelle sostanze organiche, e non può essere considerato una materia prima o una risorsa. Tuttavia la possibilità di utilizzare un combustibile che totalmente ossidato produca solo acqua è ambientalmente così interessante da portare l idrogeno agli onori dell attualità. Il processo storico di decarbonizzazione, cioè il processo che vede crescere la quantità di idrogeno a scapito del carbonio nel campo dei combustibili utilizzati dall uomo, partendo dal carbone e passando attraverso il metano, trova nell idrogeno il naturale compimento. Oggi l idrogeno si propone come unico denominatore comune di tutte le politiche energetiche volte a ottimizzare produzione e uso dell energia in un ottica di sviluppo sostenibile. In questo scenario, le celle a combustibile si presentano come processo energetico alternativo ideale: combinando idrogeno e ossigeno per via elettrochimica forniscono acqua, energia elettrica e calore, in assenza di parti in movimento, rumore e emissioni dannose, e con una efficienza prossima al 50% (che può arrivare all 80% se presente cogenerazione). Le tipologie di celle esistenti possono avere diversi campi di applicazione, dal settore degli autotrasporti (auto, pullman, navi...) a quello dei sistemi portatili (computer, telefoni cellulari, stampanti...), dalla generazione di potenza stazionaria per piccole realtà abitative o complessi pubblici (scuole, ospedali...) a quella accoppiata a processi produttivi (autonomia energetica di industrie, sfruttamento di prodotti secondari...). Diversi sono anche gli stadi di sviluppo di ciascuna filiera: alcune sono già alla fase di commercializzazione, altre sono di prossima realizzazione. Il settore si trova dunque in una fase di sviluppo vivace e delicata allo stesso tempo che la ricerca può sostenere con un lavoro finalizzato da una parte a indagare ulteriormente fenomeni di base, dall altra ad affinare apparecchiature e processi per migliorare prestazioni, tempi di vita e costi. L attività di ricerca del PERT Il PERT (Process Engineering Research Team), gruppo del Dipartimento di Ingegneria delle Costruzioni, dell Ambiente e del Territorio dell Università di Genova, ha come cuore della propria attività di ricerca proprio l idrogeno quale vettore energetico. Il PERT è costituito da ricercatori che sviluppano attività di studio nell ambito di temi tradizionali e innovativi dell ingegneria di processo e svolgono la loro didattica nel settore scientifico disciplinare di Principi di Ingegneria Chimica, o in settori affini, e nell ambito dei corsi di studio e di dottorato in Ingegneria Chimica ed Ingegneria Civile-Ambientale. In particolare il PERT, a partire da metà degli anni Ottanta, svolge attività di ricerca su sistemi per la produzione di energia tramite celle a DiarioEuropeo 87

4 combustibile di diverse filiere. I primi lavori erano rivolti ai meccanismi di trasporto nelle celle ad acido fosforico (PAFC) collegati al progetto PRODE sviluppato a Milano da Ansaldo Ricerche di Genova e dall AEM; più recentemente si sono studiati anche i meccanismi di trasporto e reazione nei sinterizzati che costituiscono la parte attiva elettrodo-elettrolita delle celle a ossidi solidi (SOFC) sviluppati con IEA, CNR-ITAE e cofinanziati dal MIUR; ma l attività si è principalmente concentrata sulle filiere attualmente più vicine a una piena commercializzazione, cioè sulle celle a membrana polimerica (PEMFC), estendendosi poi alle celle a metanolo diretto (DMFC), in collaborazione con ENEA, CNR-ITAE, UE e MIUR, e sulle celle a carbonati fusi (MCFC), nell ambito di diversi progetti nazionali ed internazionali finanziati dalla UE e svolti in collaborazione con Ansaldo Fuel Cells. Il PERT ha inoltre analizzato l integrazione di impianti a celle con sistemi tradizionali di produzione di energia, ma soprattutto con impianti di pirolisi e gassificazione (in particolare di biomasse). L approccio utilizzato dal PERT per lo studio delle diverse tipologie di celle, nonché per i reattori termochimici di pirolisi e gassificazione, è il medesimo: un attività di ricerca applicata che l esperienza ha mostrato efficacemente sostenuta dal procedere parallelo di modellazione e sperimentazione, in un rapporto di verifica e guida reciproca. Alcuni esempi: le celle polimeriche Per quanto riguarda le PEMFC, i primi studi sulla pila e sul sistema sono stati via via affinati con approfondimenti sul comportamento della membrana polimerica e degli elettrodi. La partecipazione a progetti di ricerca applicata ha prodotto strumenti di simulazione delle pile PEMFC sia a livello di microcelle portatili, sia a quello di pile utilizzabili quali generatore primario in sistemi motori ibridi per autoveicoli terrestri o marini. Due i problemi pratici presi in particolare considerazione. In primo luogo le PEMFC tendono a essere disturbate da fenomeni di allagamento, che sono stati messi in relazione al superamento da parte del gas catodico della soglia di saturazione in alcuni punti o zone delle celle. Solo un modello dettagliato consente di individuare questi punti di possibile disturbo e le condizioni operative che li evitano. In secondo luogo, un motore per trazione deve garantire un avviamento a freddo nelle condizioni ambientali tipiche del luogo di effettivo utilizzo ed è stato quindi necessario individuare la temperatura minima che rende possibile l avviamento, temperatura che dipende anche, e in misura rilevante, dalle condizioni di umidità dell alimentazione gassosa. Gli studi di approfondimento sulla membrana hanno riguardato soprattutto le diverse condizioni di migrazione degli ioni rispetto a un elettrolita classico, aprendo una via d interpretazione delle ben note perdite presenti in queste celle anche a circuito aperto (circa il 20% del voltaggio di equilibrio). 88 DiarioEuropeo

5 Un altro punto di approfondimento ha riguardato il comportamento degli elettrodi, ove i fenomeni di trasporto e migrazione delle specie neutre (in particolare H 2 all anodo e O 2 al catodo) svolgono un ruolo non secondario rispetto alla reazione elettrodica. Da un lato, le condizioni di trasporto influiscono in maniera determinante sulle prestazioni limite delle celle e delle pile (corrente limite) e possono essere migliorate con particolari scelte della geometria di alimentazione (celle a serpentina, celle interdigitate): l analisi di queste particolari geometrie e dei relativi fenomeni di diffusione e migrazione attraverso il mezzo poroso contiguo agli elettrodi ha consentito di mettere in evidenza i collegamenti funzionali fra i flussi della reazione elettrodica e la velocità di migrazione attraverso il mezzo poroso. Dall altro lato, i vincoli geometrici e le velocità di migrazione condizionano le proprietà di simmetria SCHEDA 1 - IL PERT E L IDROGENO PAFC Borsa Ansaldo Ricerche Progetto PRODE tesi di laurea 12 PUBBLICAZIONI SOFC Programma IEA MIUR COFIN 2004 e tesi di laurea 12 PUBBLICAZIONI PEMFC e DMFC Progetto Europeo EQHHPP Progetto Europeo FCBUS MIUR COFIN 1999 e 2001 Contratto ENEA 2000 FISR tesi di dottorato (XX ciclo) 3 tesi di laurea 13 PUBBLICAZIONI MCFC Contratti ANSALDO FUEL CELLS S.p.A Progetto Europeo IRMATECH Progetto Europeo IMPRESS Progetto Europeo BICEPS Codice MCFC-D3S (copyright AFCo) Patent Application n.ro PCT/EP2005/ Assegni di ricerca tesi di dottorato (XII, XX e XXI Ciclo) 15 tesi di laurea e 3 scambi Erasmus 37 PUBBLICAZIONI PRODUZIONE H2 Contratto AMIAS S.p.A Progetto Bicocca - SOL 2006 Progetto Europeo FP7 da sottoporsi Assegni di ricerca tesi di dottorato (XXII Ciclo) 14 tesi di laurea 9 pubblicazioni DiarioEuropeo 89

6 o di antisimmetria dei campi di moto lungo i canalicoli di adduzione dei gas anodici e catodici e l entità delle perdite di carico attraverso la cella. Solo con un simile quadro sufficientemente dettagliato e quantitativamente ben definito per le diverse opzioni è possibile effettuare confronti affidabili e predittivi fra le geometrie tradizionali e quelle innovative e proporre infine e discutere altre soluzioni competitive, come quelle con distributori a griglia e quelle parzialmente interdigitate. Le celle a carbonati fusi Nel caso delle MCFC, particolarmente preziosa è stata la collaborazione con Ansaldo Fuel Cells (AFCo, Genova), leader europeo nel settore delle tecnologie MCFC, celle ad alta temperatura per la generazione distribuita di energia (perciò finalizzate a impianti stazionari di potenza fra il centinaio di kw e alcuni MW). Il lavoro svolto nell ambito di questa collaborazione ha consentito di indagare diversi fenomeni di interesse scientifico così come di individuare soluzioni tecnologiche e operative ottimizzate, dimostrando così anche l utilità di una proficua sinergia fra mondo accademico e industriale. Lo studio è stato condotto su diverse scale fenomenologiche, cominciando da quella di elettrodo per arrivare, attraverso la successiva considerazione della singola cella e della pila di celle, al livello di configurazione di impianto, con gli ausiliari, i recuperi e i ricicli necessari. Particolare attenzione è stata dedicata ai problemi di scala. Su dimensioni, per così dire, francobollo la complessità degli elettrodi delle celle può essere trascurata, ma le celle da laboratorio hanno un formato cartolina (circa 100 cm 2 ) e in questo caso non sono trascurabili, per esempio, le disuniformità delle concentrazioni e i loro effetti. Su celle di taglia commerciale con dimensioni analoghe a quelle di un manifesto (dell ordine del m 2 ), gli effetti di scala sono ovviamente ancor più rilevanti. Partendo dalla scala inferiore, è stato messo a punto un modello semiempirico di elettrodo, utilizzato poi come cuore elettrochimico di un modello tridimensionale in grado di calcolare sul piano di ciascuna cella di una pila tutte le principali variabili: temperatura, pressione, densità di corrente, portate, composizioni, polarizzazioni, ecc. I risultati hanno messo in evidenza una buona corrispondenza tra dati calcolati e misurati, registrando mediamente un errore dello stesso ordine di grandezza dell'errore sperimentale (dall 1 al 3%). Il codice di calcolo realizzato dal PERT sulla base di tale modello è denominato MCFC D3S (da Molten Carbonate Fuel Cell Dynamic and Steady State Simulation), è coperto da copyright AFCo ed è finalizzato alla simulazione del comportamento di celle MCFC singole o impilate, in condizioni stazionarie e/o in transitorio, alimentate a flusso incrociato, in equicorrente o in controcorrente. MCFC-D3S è utilizzato dal PERT e da AFCo come strumento di indagine, predittivo, diagnostico e progettuale ed è strumento di riferimento per il metodo di ottimizzazione di esercizio messo a punto nella New International Patent 90 DiarioEuropeo

7 Ricerca e Innovazione Application PCT/EP2005/ L attività svolta ha permesso l individuazione di nuove soluzioni tecnologiche e operative. Fra queste si segnalano le matrici di maggiore spessore poste fra anodo e catodo per evitare il trafilamento di gas reagenti e la nuova geometria rettangolare di cella, adottata da AFCo per consentire una migliore gestione delle temperature e delle perdite di carico dei gas stessi. Per quanto concerne l analisi di processo su scala di impianto, è comune in letteratura l uso di modelli semplificati quando inseriti in una simulazione di impianto, ma l esperienza di calcolo del PERT ha dimostrato l importanza di ottimizzare le condizioni generali di esercizio di impianti a celle nel rispetto di vincoli locali, per esempio le temperature massime nelle celle, non agevolmente misurabili, ma controllabili solo con modelli dettagliati. Il PERT propone quindi l integrazione di modelli dettagliati di pila in seno alla simulazione del com- Impianto di potenza a celle MCFC di Ansaldo Fuel Cells a Bosco Marengo (AL) plesso impiantistico. Seguendo tale approccio il PERT ha studiato diverse soluzioni di impianto, contribuendo alle fasi di progettazione e ottimizzazione di esercizio di impianti AFCo MCFC di diversa taglia (100, 125, 250, 500 e 1000 kw). Le biomasse La valorizzazione energetica di biomasse è stata studiata partendo geograficamente un po da lontano a seguito di un progetto di cooperazione internazionale, e cioè valutando la possibilità di utilizzare gli scarti della canna da zucchero su territorio peruviano. Lavorando con l Universidad Católica Santo Toribio de Mogrovejo, si è dimostrata l enorme potenzialità energetica che lo sfruttamento degli scarti agricoli (bagassa e barbojo dalla canna da zucchero, appunto, ma anche pula di riso o altro) rappresenterebbe per il paese se si utilizzassero non solo processi innovativi quali la combinazione di gassificazione e celle MCFC, ma anche processi più tradizionali e meglio integrabili subito nell attuale contesto tecnologico. L attenzione è stata poi spostata su prodotti più mediterranei, come gli scarti di olive e mandorle, nell ambito di una DiarioEuropeo 91

8 Ricerca e Innovazione collaborazione con l Universidad Politecnica de Valencia, e infine, con l Università di Trento, più in generale su altri materiali: legno, scarti della potatura cittadina, vinaccioli, rifiuti solidi urbani ecc. I processi chiave di conversione della biomassa per l impiego a fini energetici possono essere di tipo biochimico o di tipo termochimico. L attenzione del PERT è stata focalizzata su questi ultimi ed in particolare su pirolisi e gassificazione. La pirolisi è un processo di decomposizione ottenuto mediante l applicazione di calore in completa assenza di un agente ossidante, o con una ridottissima quantità di ossigeno. I prodotti sono gassosi, liquidi e solidi, in proporzioni che dipendono dai metodi di pirolisi (pirolisi veloce, lenta, o convenzionale) e dai parametri di reazione. La gassificazione è un processo di conversione termochimica di un liquido o un solido a matrice carboniosa in un gas combustibile, in presenza di un agente gassificante (aria, ossigeno, vapore). La pirolisi e la gassificazione, rispetto alla tradizionale combustione diretta, presentano il vantaggio di produrre un combustibile allo stato gassoso e quindi di più facile, più ampio e più flessibile impiego. Si possono così ottenere rendimenti più elevati ed emissioni in atmosfera più contenute. In effetti, benché la tecnologia appaia non particolarmente sofisticata e relativamente diffusa, in realtà le problematiche relative all ottimizzazione del processo fanno sì che in Italia tale approccio non sia ancora utilizzato, se non a livello speri- Elena Kalistratova, Canne da zucchero, istockphoto 92 DiarioEuropeo

9 mentale, e in generale non si sia ancora pienamente affermato in Europa. L impegno necessario per ottenere buoni risultati in questo campo riportano alla mente le osservazioni dell eclettico Richard Buckminster Fuller sull opportunità di non contare su una passata eredità, ma di lavorare oggi per un futuro sostenibile. Egli considera infatti possibile sfruttare due fonti primarie di energia: la prima paragonabile a un deposito di risparmio in cui l energia capitale è stata immagazzinata, la seconda a un conto corrente in cui si può depositare il reddito energetico. Così se i combustibili fossili hanno impiegato milioni di anni per immagazzinare energia concentrata sotto il livello della superficie terrestre, oggi dobbiamo lavorare per sfruttare le numerose fonti di reddito energetico presenti in molte zone del mondo ed in qualsiasi momento e capaci di infinita energia da conto corrente. Il PERT crede al vantaggio ambientale ed economico di tale approccio, soprattutto qualora si utilizzino biomasse di scarto, e sta attualmente studiando diverse tipologie di reattori di conversione termochimica, promuovendo la realizzazione di alcuni impianti pilota. In conclusione Sì, cari amici, 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 luce, risponde l ingegner Cyrus Smith, nell Isola Misteriosa di Jules Verne (1874), al marinaio che chiede cosa bruceranno gli uomini quando sarà finito il carbone. Mi piacerebbe vederlo, commenta il marinaio, ma gli si dice che è nato troppo presto. Ecco, le nostre generazioni forse sono pronte. DiarioEuropeo 93