TECNOLOGIE POWER-TO-GAS E RUOLO NEL

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1 TECNOLOGIE POWER-TO-GAS E RUOLO NEL BILANCIAMENTO DELLE FONTI RINNOVABILI Stefano Campanari, Giulio Guandalini Dipartimento di Energia Politecnico di Milano WORKSHOP ANIGAS Le tecnologie Power-to-gas: dall idrogeno al metano per la flessibilità del sistema energetico Milano, 28 maggio 2018

2 La «Roadmap» europea verso il 2050 EU Commission, Energy Roadmap 2050 : Riduzione delle emissioni GHG (primariamente CO 2 ) dell 80% sotto ai livelli 1990, entro il 2050 Transizione verso una low carbon economy Azioni richieste in tutti i settori Servono più rinnovabili: FV, eolico, biomasse Servono più veicoli elettrici, a H 2,SNG «Current policy» = in linea con EU energy strategy 2020 Maggiori emettitori (2015): Settore Power 25% Settore trasporti 20% Ruolo dell Italia: 10% delle emission GHG Europee (EU 27) EU Environment Agency, Electric vehicles in Europe S. Campanari, Maggio /21

3 Problematiche In presenza di grandi quantità di RES non programmabili (eolico, FV) aumentano i problemi di regolazione e mantenimento della stabilità rete: Bilanciamento dei carichi Programmazione del dispacciamento Perdite di energia (distacco impianti in caso di congestione di rete): la quota di energia persa tende a crescere con l aumento della potenza di RES non programmabili installata. S. Campanari, Maggio /21

4 La rete elettrica, del gas e della mobilità tenderà ad evolversi ed integrarsi import Residential loads import Pumped hydro Power grid EE coal RES power plants Conventional power plants biomass & waste Industrial loads Refineries oil derived fuels H2 NG crude oil SMR Natural gas infrastructure NG storage Transport sector Situazione attuale: impianti convenzionali e rinnovabili connessi alla rete elettrica e del gas, settore trasporti alimentato a combustibili fossili Accumulo elettrico tramite impianti idroelettrici di pompaggio + accumulo stagionale NG S. Campanari, Maggio /21

5 Il sistema Power-to-gas e la produzione idrogeno Con il Power to gas si punta a produrre H 2 da fonti rinnovabili, in particolare da energia elettrica in eccesso (rispetto alla domanda) prodotta da impianti FV, eolici o di altro tipo Ciò avviene per via elettrochimica, mediante elettrolisi: Le celle elettrolitiche possono essere di diversi tipi, tra cui alcaline e PEM S. Campanari, Maggio /21

6 Il sistema Power-to-gas e la produzione idrogeno Il tipo PEM presenta vantaggi prospettici in termini di compattezza e flessibilità di impiego; oltre a elevata purezza dell idrogeno prodotto, possibilità di funzionamento pressurizzato Stack elettrolizzatore PEM da 2 MW (ITM Power, WHEC 2016) 1 2 Rendimento di conversione da energia elettrica a idrogeno (rif. PCI): 65 75% S. Campanari, Maggio /21

7 L accumulo di energia ed il Power-to-gas (P2G) Pompaggio idroelettrico P2G e produzione idrogeno e gas naturale sintetico (SNG) Aria compressa (CAES) Per alti tempi di scarica / alta energia Volani, supercapacitori Batterie (Ni MH, Li ion, redox..) Per bassi tempi di scarica / energie limitate S. Campanari, Maggio /21

8 La rete elettrica, del gas e della mobilità tenderà ad evolversi ed integrarsi: sfruttando power-to-gas ed accumulo elettrico import Pumped hydro Battery storage Power grid EE coal Fuel cells RES power plants Conventional power plants biomass & waste Residential loads Industrial loads Power to gas P2G Electrolysis Refineries biofuels oil derived fuels Methanation H2 storage NG crude oil biomass SMR H2 to mobility SNG CH4 Natural gas infrastructure import biomethane NG storage EE to mobility Transport sector L idrogeno entra nel quadro come vettore energetico pulito, affiancato da biometano e SNG; la rete gas mantiene un ruolo importante. Nuovi accumuli elettrici batterie (su reti AT/MT/BT ed anche su plug in EVs) S. Campanari, Maggio /21

9 Quante rinnovabili dovrebbero essere installate in Italia? scenari per l evoluzione elettrica e mobilità di lungo termine Tramite modelli di simulazione è possibile stimare la disponibilità di produzione H 2 da P2G, in base a previsioni di evoluzione delle rinnovabili e di richiesta della rete elettrica, confrontandola con le attese di sviluppo della mobilità elettrica (BEV) ed a idrogeno (FCEV) Installed capacity [GW] Electricity: 2050 RES technical potential scenario * Maximum feasible PV & wind capacity Geothermal Hydro Wind PV Load Load [TWh] Share 100% 80% 60% 40% 20% 0% Mobility: 2050 IEA scenario * High alternative automobiles penetration forecast (% for EU4 UK+D+F+ITA, scaled to ITA) Conventional Electric Hydrogen Automobiles fleet Millions Number of automobiles * P. R. Defaix et al., Technical potential for photovoltaics on buildings in the EU 27, 2012 RE Shaping Project, Long Term Potentials and Costs of RES, 2011 * IEA, H2&FC Technology Roadmap, 2015 S. Campanari, Maggio /21

10 I risultati dello scenario 2050 più ambizioso Copertura della richiesta elettrica (rete + EV) 1.7% 37.0% 5.1% 1.4% 54.9% Copertura della richiesta di energia primaria (rete+ tutti i inclusi trasporti*) 50.4% 10.6% 35.8% 3.1% I risultati sono buoni, ma il target del 80% resta estremamente difficile (servono altre RES, altre tecnologie quali CCS, nucleare ) Da notare che scenari estremi con l adozione di sola mobilità elettrica o sola mobilità H2 peggiorano il risultato > servono entrambe * nei trasporti, 81% della richiesta H2 (circa 735 kt/anno) risulta coperta da RES, con 26.2 GW di capacità P2G installata GHG reduction EU target Result Power grid 90.5 to 98.6% 41.1 % Automobiles 59.7 to 71.1% 58.6 % Da: P. Colbertaldo, G. Guandalini, S. Campanari Modelling the integrated power and transport energy system: The role of power to gas and hydrogen in long term scenarios for Italy, Energy, Vol. 154, p , doi.org/ /j.energy , 2018 S. Campanari, Maggio /21

11 L idrogeno può essere utilizzato in diversi modi SOLUZIONE DI LUNGO TERMINE Mobilità Cogenerazione distribuita Idrogeno per l industria chimica (green chemistry) SOLUZIONE INIZIALE Metanazione per risolvere limiti tecnici sulla rete gas SOLUZIONE INTERMEDIA Iniezione in rete gas S. Campanari, Maggio /21

12 1) Iniezione H2 in rete gas Non manca la capacità: con il 10 20% di H 2 (vol.) si sarebbe già non distanti dall uso dell intera disponibilità odierna di EE da FV ed eolico Trasporto gas naturale ( 10 9 Nm 3 /y) 1 Potenzialità P2G 1% vol H 2 (TWh el /y) 2 Produzione elettrica da FV e eolico (TWh/y) 3 Germania Italia Spagna UK SNAM RETE GAS (2017) Transportation: 76 billions of Nm 3 Storage: 16 billions of Nm 3 1 data from IEA Gas Market Report with 60% efficiency (H 2,LHV /E el ) 3 data from BP Statistical Review of World Energy 2013 S. Campanari, Maggio /21

13 Esperienze passate: il gas di città Non dimentichiamo il passato: la produzione di gas di città usato per riscaldamento, illuminazione e scopi vari è stata pratica molto diffusa Fino agli anni 60 il gas per usi domestici in Italia apparteneva a questa categoria, per poi essere convertito al gas naturale (più economico, pulito e ampiamente disponibile; importazioni da Russia, Algeria, giacimenti nel Mare del Nord, ). Il gas di città era per quasi il 50% costituito da idrogeno H 2 CO Idrocarburi Altri gas ~ 50 % ~ 10 % ~ 40 % ~ 1 % S. Campanari, Maggio /21

14 I limiti tecnologici dell iniezione in rete gas Il miscelamento H2+NG è stato studiato in progetti specifici (es. NaturalHy, EU FP6) tramite valutazioni di rischio e sperimentazioni in ambito domestico e su grandi condotte di trasporto, con indicazione di piena compatibilità fino ad almeno 20% H 2 (vol.) Vi sono tuttavia problematiche di adattamento di utilizzatori industriali (es. motori, turbine a gas) che in assenza di interventi limitano la tollerabilità a pochi % (es. 3 5%). A seconda della provenienza del gas naturale, si hanno poi limiti per garantire i parametri di LHV e WI previsti dal codice di rete gas Ulteriori problematiche riguardano il quality tracking della rete gas in presenza di variabilità di iniezione e prelievo Da: G. Guandalini, P. Colbertaldo, S. Campanari Dynamic modeling of natural gas quality within transport pipelines in presence of hydrogen injections, Applied Energy, /j.apenergy , S. Campanari, Maggio /21

15 2) L alternativa della metanazione, con impiego di CO 2 CO 2 4H 2 CH 4 2H 2O CO 3H 2 CH 4 H 2O H 0 298K = kj/mol H 0 298K = kj/mol Il Processo Sabatier è il processo che permette la metanazione, secondo le reazioni di idrogenazione dell anidride carbonica e del monossido di carbonio (Sabatier & Senderens, 1902) Si tratta di reazioni esotermiche (producono calore) favorite a basse temperature ed alte pressioni. Si lavora solitamente intorno a C e pressione elevata (40 60 bar). Il processo ha un efficienza pari a circa 80 % (PCI gns /PCI syn ); il calore prodotto dalla reazione può essere recuperato tramite produzione di vapore ad alta pressione. Lo scopo di questo processo è ottenere un gas naturale sintetico (SNG) che rispetti le specifiche richieste per l immissione nella rete di distribuzione nazionale. S. Campanari, Maggio /21

16 2) L alternativa della metanazione, con impiego di CO 2 CO 2 4H 2 CH 4 2H 2O CO 3H 2 CH 4 H 2O H 0 298K = kj/mol H 0 298K = kj/mol Sono necessari catalizzatori per migliorare la selettività del processo ed evitare reazioni alternative (es. water gas shift). Il catalizzatore più utilizzato è Ni supportato su allumina (in aggiunta, si studiano catalizzatori più selettivi e robusti es. Rh/SiO 2,Fe/SiO 2, Rh/Y zeolite). A livello industriale sono diffuse le tecnologie TREMP (Topsoe), HICOM (British Gas), Lurgi, CONOCO, Linde. Es. schema tecnologia Topsoe TREMP TM S. Campanari, Maggio /21

17 La CO 2 utilizzata può provenire (ad esempio) da biomasse S. Campanari, Maggio /21

18 Metanazione utilizzo di CO 2 da upgrading di biogas Specie Biogas da rifiuti Biogas da digestori anaerobici GN Mare del Nord Limiti GN Italia Limiti GN Germania Limiti GN Svezia CH 4 [% vol ] n.a. n.a H 2 [% vol ] 0 3 n.a. n.a. n.a. < 5 n.a. CO 2 [% vol ] < 3 < 6 O 2 [% vol ] < 0.6 < 3 N 2 [% vol ] n.a sum up to 5 % H 2 S [ppm] < 100 < < 4.6 n.a. n.a. S [mg/nm 3 ] n.a. n.a. 0 n.a. < 30 < 23 Il biogas prodotto da biomassa o rifiuti è ricco di CO 2 ; per l uso in rete gas richiede un processo di purificazione ( upgrading ), con rimozione di CO 2. La quota di CO 2 che viene rimossa nel processo di purificazione può essere utilizzata nel processo Sabatier per la produzione di metano sintetico. Il bilancio delle emissioni è potenzialmente neutro: la CO 2 proviene in origine dall atmosfera, è stata immagazzinata dalla biomassa e verrà ri liberata dalla combustione del metano. Vanno tuttavia considerate le emissioni legate alla filiera della biomassa e ai consumi dei processi di trasformazione. In ogni caso si ottiene una riduzione delle emissioni legate ai consumi di gas naturale. S. Campanari, Maggio /21

19 Nel complesso l idrogeno può avere diversi ruoli In alternativa ad iniezione in rete e/o metanazione, l idrogeno può essere trasportato in forma pressurizzata o liquida per diversi usi finali, da quelli stazionari (CHP, green chemistry, power generation) fino alla mobilità Wind Power Solar Power Power Water Electrolysis Micro CHP Fuel Cells Hydrogen Hydrogen Hydrogen Hydrogen Industrial applications Power Power Hydrogen Hydrogen Power Grid Power CHP plants Road transport Heat District Heating Fuels refuelling station * FCHJU, Development of Water Electrolysis in the European Union, 2014 S. Campanari, Maggio /21

20 L uso diretto per mobilità Esempi di proposte recenti nel settore mobilità Toyota Mirai Fuel cell da 114 kw (153 CV) Due serbatoi idrogeno per 5 kg H 700 bar (peso serbatoi 87.5 kg), autonomia 500 km Con batterie per recupero di energia in frenata Può produrre energia per la rete in caso di black out Leasing 36 mesi 499 $/mese o acquisto 57 k$ (Giappone / USA) Hyundai Tucson (ix 35) Fuel cell da 100 kw (136 CV) Due serbatoi H2, totale 5.6 kg H 700 bar, autonomia 600 km + Numerose sperimentazioni di applicazioni su autobus e da parte di altre case costruttrici S. Campanari, Maggio /21

21 Impianti P2G nel mondo Mappa interattiva su: /demonstrations Circa 20 impianti in esercizio al 2015, 80 installati o previsti al 2018 principalmente in Germania, USA, Canada, Spagna e UK, Cina, Giappone, Francia. Alcuni impianti immettono H2 nella rete del gas naturale: Falkenhagen (2013), Werlte (2013, metananazione). Altri alimentano stazioni di rifornimento o effettuano P2P. S. Campanari, Maggio /21

22 Due esempi tra i primi impianti P2G Falkenhagen Power to Gas Plant (Germania, Uniper) Collocazione: Falkenhagen, Brandenburg. Progetto iniziato a Ottobre 2013, prima iniezione in rete a Agosto 2014 Tecnologia: Elettrolisi PEM (2 MW el ) Produzione: ca. 360 m³/h di idrogeno, iniezione nella rete regionale di distribuzione gas tramite pipeline H2 da 1.6 km S. Campanari, Maggio /21

23 Due esempi tra i primi impianti P2G ZSW Werlte Synthetic Natural Gas Power to Gas Plant (Germania) Collocazione: Werlte, Niedersachsen. Progetto iniziato a Giugno 2013 Tecnologia: Elettrolisi PEM (6 MW el ) Produzione: ca m³/h di idrogeno, a cui corrispondono circa 300 m³/h di gas naturale sintetico (CO 2 proveniente da impianto biogas adiacente) to gas/interaktive projektkarte/audi e gas projekt.html S. Campanari, Maggio /21

24 GRAZIE PER L ATTENZIONE stefano.campanari@polimi.it cogeneration.html