Il futuro delle rinnovabili: stato della ricerca e nuove applicazioni. Tecnologie per la produzione di combus:bili da fonte solare

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1 Il futuro delle rinnovabili: stato della ricerca e nuove applicazioni Tecnologie per la produzione di combus:bili da fonte solare Raffaele Liberatore, Luca Turche2 ENEA Agenzia nazionale per le nuove tecnologie, l energia e lo sviluppo economico sostenibile. DTE-STT raffaele.liberatore@enea.it

2 Che cos è un solar fuel Un combus:bile solare è un composto chimico che può reagire con O 2 per rilasciare energia e che è stato prodoao usando in parte o totalmente energia solare. Nell ambito dello sfrudamento delle fone rinnovabili, quese combusebili sono chiamae a giocare un ruolo chiave nell immediato futuro, allo scopo di poter uelizzare un energia di per se fluduante, negli ambie comunemente impiegae per i combusebili adualmente in uso. Biomassa da fotosintesi è la via originale. I proge2 aaualmente in sviluppo prediligono principalmente tecnologie che u:lizzano radiazione solare concentrata per immagazzinarla in energia chimica, in forma di combus:bile, aaraverso reazioni ad alta temperatura. Esempi sono idrocarburi liquidi convenzionali, alcoli e idrogeno, che possono essere ossida: per combus:one per realizzare un ciclo di calore o di potenza elearica per motori o in fuel cell.

3 Il capostipite dei solar fuels ENERGIA FonE carboniose e/o acqua Anidride carbonica Idrogeno CombusEbili «tradizionali» (Metano, benzine,...)

4 H 2 come vettore energetico! La combuseone dell idrogeno non produce CO 2! Se l H 2 è prododo tramite fone di energia rinnovabile da acqua: si ha un combusebile completamente carbon-free e rinnovabile da fon: carboniose rinnovabili: (es. biogas, biometano,...) si ha un combusebile carbon-free e possibilità di sequestro facilitato della CO 2 al livello della produzione centralizzata da fon: carboniose fossili: si ha l upgrading del combusebile e possibilità di sequestro facilitato della CO 2 al livello della produzione centralizzata! La combuseone dell idrogeno può essere condoda per via elearochimica in celle a combus:bile, producendo eledricità con efficienze superiori rispedo a processi che prevedono combus:one termica

5 Non solo H 2 I combus)bili solari di maggior interesse, oltre all idrogeno sono Metano (CH 4 ): principale cosetuente del gas naturale, la liquefazione è costosa ma fa_bile, può essere sinteezzato da carbone o da biomassa (LHV: 55 MJ/kg) Metanolo (CH 3 OH): è il più semplice dei combusebili liquidi. Può essere sinteezzato da carbone, biomassa o gas naturale. Conveniente per usi nei traspore. E tudavia cancerogeno e ha densità energeeca < 1/2 benzina. DME (Dime:l etere CH 3 OCH 3 ): simile al GPL, non cancerogeno, usabile nei traspore. SinteEzzabile da metanolo (LHV: 32 MJ/kg) Ammoniaca (NH 3 ): occorrono pressioni elevate per mantenimento in fase liquida. Fuoriuscite possono portare problemi di causecità e criogenicità. Può essere visto come praeco vedore liquido per l H 2. (LHV: 32 MJ/kg) «drop-in fuels» sinteeci: combusebili che devono rispedare gli standard del diesel, gasolio o combusebili per aviazione. Possono essere sinteezzae da carbone, gas naturale, biomassa o altre fone di idrogeno e carbonio.

6 Possibilità Solar Fuels Possibilità di esportare combusebili da Paesi con alto irraggiamento diredo e poca popolazione in altri dove ci sono fore limitazioni nella polieca di emissioni di CO 2 Kawasaki Heavy industries vision for the cryogenic liquid hydrogen market. Source: CSIRO Da: Roadmap to Solar Fuels

7 Produzione di combustibile da energia solare termica a concentrazione source: A. Steinfeld, Solar Energy 78 (2005)

8 Produzione di combustibile da energia solare termica a concentrazione Ele=rolisi MCE source: A. Steinfeld, Solar Energy 78 (2005)

9 Roadmap europea per l H 2 e le celle a combustibile Produzione diretta di H 2 da fonti rinnovabili Societá dell H 2 senza carbonio 2050 Economia orientata all idrogeno Produzione e distribuzione di idrogeno Interconnessione alle reti locali di distribuzione dell H 2 Significativa produzione di H 2 da fonti rinnovabili compresa la gassificazione della biomassa Produzione di idrogeno da fossili con sequestro CO 2 Raggruppamenti di reti locali di distribuzione H 2 Raggruppamenti locali di stazioni di rifornimento di H 2. Trasporto H 2 su strada e produzione on-site di H 2 nelle stazioni di rifornimento (reforming ed elettrolisi) Produzione di H 2 da reforming del gas naturale ed elettrolisi 2000 Economia basata su combustibili fossili Ampia diffusione di gasdotti per la distribuzione di H Maggiore produzione di H 2 senza emissioni di carbonio Fonti rinnovabili, combustibili fossili con sequestro, nuove tecnologie nucleari 2020 Incentivi pubblici ed impegno privato Ricerca di base, applicata e dimostrazione. Celle a combustibile (veicoli e generazione elettricità) Produzione, trasporto, distribuzione e uso dell idrogeno RST, test sul campo, parchi veicoli di nicchia 2030 Riconoscimento pubblico e benefici privati Maggiore penetrazione del mercato Commercializzazione su vasta scala di idrogeno e celle a combustibile Produzione H 2 Celle combustibile per trasporto Trasporto H 2 Combustibile per applicazioni stazionarie Stoccaggio H Sistemi con celle a combustibile ad alta temperatura e basso costo Celle a combustibile commerciali per micro-applicazioni Veicoli con celle a combustibile competitivi Sistemi SOFC a pressione atmosferica ed ibridi commerciali (< 10 kw) Primi flotte veicoli a H 2 (sistemi di accumulo H 2 di 1a generazione) Produzione in serie di FCEV per flotte di veicoli e altri mezzi di trasporto (imbarcazioni); celle a combustibile per unità di potenza ausiliaria (compreso reforming) Sistemi stazionari a celle a combustibile ad alta temperatura (MCFC/SOFC) (<500kW); sviluppo motori CI a H 2 ; dimostrazione di parchi autobus a celle a combustibile Sistemi stazionari a celle a combustibile a bassa temperatura per produzione commerciale di nicchia (<50kW) H 2 nei trasporti aerei Le celle a combustibile diventano tecnologia dominante nei trasporti, nella generazione distribuita di elettricità e nelle microapplicazioni H 2 è la scelta privilegiata come carburante per veicoli a celle a combustibile Significativa crescita della generazione di potenza distribuita con sostanziale penetrazione delle celle a combustibile Sistemi di accumulo idrogeno di 2 a generazione Sviluppo di sistemi a FC e idrogeno

10 Roadmap europea per l H 2 e le celle a combustibile

11 Attività ENEA sui combustibili solari Sviluppo e tes:ng impian: di laboratorio Sviluppo materiali e componen: ProgeAazione ed esercizio impian: pilota Analisi di processo e tecnico-economiche

12 Il progetto CoMETHy Scopo del progeao Sviluppare un readore di reforming compado e innovaevo, per converere combusebili carboniosi (ad es. metano, biogas, (bio)etanolo) in idrogeno puro adraverso lo steam reforming a bassa temperatura ( ºC) alimentato da energia solare o altre fone sulla base del mix energeeco localmente disponibile. Il consorzio 12 project partners (Coordinatore: ENEA) 5 Paesi (D, GR, I, IL, NL) 3 Industrie 4 EnE di ricerca 5 Università Progetto co-finanziato dal Fuel Cells and Hydrogen Joint Undertaking (FCH JU) nell ambito del 7 FP

13 Il progetto CoMETHy Reforming convenzionale T = C ProgeAo CoMETHy T = C Vantaggi: Materiali di costruzione Maggior sicurezza Unico readore per SR and WGS Uso di calore solare da CSP con MS CH 4 + H 2 O CO + 3 H 2 CO + H 2 O CO 2 + H 2 Svantaggi: Basse rese CineEche lente Basso sfrudamento del ledo catalieco ReaDore a membrana Sviluppo nuovi catalizzatori SupporE monolieci per i catalizzatori

14 Impianto pilota CoMETHy ReaDore a membrana Loop Sali fusi (MoSE) Vista d insieme della sezione chimica

15 Sviluppo componen: per il reforming a BT Advanced catalysts for low-temperature steam reforming (NG, biogas, ethanol) Selective membranes for hydrogen separation MS-heated membrane reformer (2Nm3/h pure hydrogen) Pilot membrane reformer

16 Sperimentazione su pilota: alcuni risultati membrane reformer conversion pre-reformer conversion Molten salts inlet temperature: 544 C; S/C = 3.1 ReacEon side pressure: 9.5 bar Permeate side pressure: 1.4 bar

17 Il progetto SOL2HY2 Solar to Hydrogen Hybrid Cycles Scopo del progeao Sviluppo di soluzioni per i materiali, dimostrazione dei componene chiave e o_mizzazione del processo zolfo-ibrido alimentato da energia solare. Sulfuric Acid Cracker (credit: DLR) Catalyst development WP3 WP2 WP6 SDE (credit: Aalto Un.) WP3-4 WP1-5 Si-C structures (credit: Erbicol) WP1-4 (FCH-JU) under contract n

18 I cicli termochimici

19 Il ciclo zolfo-ibrido nella sua forma chiusa o aperta T < 100 C OC CC T > 850 C

20 Integrazione impianto chimico/impianto solare Cold salts Hot salts

21 Elettrolisi in carbonati fusi (MCE) Celle a ossidi >750 o C solidi 0,8-1,2 V ~ C EleArolisi in 1,2-1,4 V carbona: fusi ad alta temperatura ~500 o C EleArolisi in carbona: fusi a temperature intermedie 1,2-1,4 V Dati termodinamici,kj/mol x Energia totale, Δ H Elettricità, Δ G Calore, T Δ S Temperatura, C <200 o C EleArolisi alcalina 1,8-2,0 V

22 Elettrolisi in carbonati fusi (MCE) Natura dell eledrolita e temperatura operaeva Celle ad ossidi solidi (SOEC) Celle carbona: fusi EleDrolita solido EleDrolita fuso 10/11/16 Temperature comprese tra 750 e 900 C Temperatura T < 550 C EleDrolisi in carbonae fusi a temperature intermedie: brevedo Enea T ~ C EleDrolisi in carbonae fusi ad alta temperatura: MCE Pagina 22

23 Livello di maturità delle attività R&D EleDrolisi in carbonae fusi

24 Costi solar fuels La compeeevità economica dipende Costo del combusebile fossile source: h=ps://en.wikipedia.org/wiki/price_of_oil Barile: 159 l Costo delle azioni che si vogliono intraprendere per ridurre le emissioni di CO 2 O_mizzazione e maturità della tecnologia di produzione

25 Costi solar fuel Per essere compeddvo nei confrond della benzina: Costo rispedo ad 1 L di benzina (LHV: 44 MJ/Kg ): 1.5 /l 2.2 /kg (no tax " 0.45 /l-0.66 /kg) Per avere la stessa quanetà (LHV H 2 : 120 MJ/kg) " per essere compeeevo (solo in termini di calore prodoao): 6 /kg o 1.8 non considerando tasse che gravano sulla benzina. In termini di km percorsi: 105 km/1kgh 2 (1 pieno 5,6 kg di H 2 ) mentre auto media 105 km/7.5l " 11.3 /kg o 3.4 /kg (no tax benzina) Per essere compeddvo nei confrond del metano: Calore: 50 MJ/kg (1 /kg) " 2.4 /kg (1.8 non considerando tasse) km percorsi:105 km/5kg 5 /kg " 5 /kg (3.8 non considerando tasse) Target US per il 2017: 3$/kg Target UE per il 2020: 3.5 /kg Processo CoMETHy: /kg piccola taglia : /kg (5000 Nm 3 /h) Source: Roadmap to Solar Fuels-SolarPaces Task II

26 Valutazione dei costi di produzione dell H 2 Sia il DOE che la UE hanno una chiara visione della futura economia dei sf con target di cose Prezzo dell idrogeno prodoao da acqua in cicli ad alta temperatura [ /kg] Oggi Obie2vo Processo SOL2HY2: 8-11 /kg Fonte: FCH-JU (2014) STE+EleDrolisi (proiezioni 1 ): $/kwh $/kg con costo di 0.08 $/kwh el 1 Estela, GreenPeace, SolarPaces Solar Thermal Electricity, global outlook

27 Conclusioni # Un combusebile solare è un composto chimico che può reagire con O 2 per rilasciare energia e che è stato prododo usando in parte o totalmente energia solare, nelle linee di sviluppo aduali essa è prododa da impiane a concentrazione. # I principali combusebili solari sono H 2, CH 3 OH, CH 3 OCH 3, NH 3, tudavia l H 2 merita parecolare menzione perchè la sua combuseone non produce CO 2, può essere uelizzato come chemicals e usato nelle fuel cells. # L ENEA adraverso proge_ europei e nazionali sta sviluppando metodi di produzione di combusebili solari mediante reforming, cicli termochimici ed eledrolisi ad HT. # I cose dell H 2 prododo con quese metodi sono in linea con gli obie_vi del DOE e della FCH-JU (UE). 1 Estela, GreenPeace, SolarPaces Solar Thermal Electricity, global outlook

28 GRAZIE PER L ATTENZIONE