SIDERA 30. ICI CALDAIE SpA Campagnola di Zevio (Vr) Tel Fax

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1 SIDERA 30 ICI CALDAIE SpA Campagnola di Zevio (Vr) Tel Fax sidera@icicaldaie.com realizzato con il contributo della Regione Veneto

2 A quanto siamo dalle prime applicazioni delle celle a combustibile? Siamo vicinissimi, perchè mai come in questo periodo si è assistito ad una tale concentrazione di studio su questi argomenti. Tanti sono i ricercatori sparsi nel mondo a studiare come produrre idrogeno e da che fonti. E chiaro che si tratta di un vettore energetico, non stiamo parlando di una nuova fonte di energia; ma è altrettanto chiaro che sarà la formula più razionale per immagazzinarla e trasportarla. Lo scopo di questo opuscolo, oltre a presentare il progetto Sidera 30, è di dare una semplice spiegazione di alcuni aspetti di questa tecnologia e di far riflettere sulle misure da adottare oggi per essere pronti ad inserirla negli impianti di domani. SIDERA 30

3 [Cos è l idrogeno?] L idrogeno, l elemento più leggero e abbondante dell universo, nel suo stato fondamentale è assai raro sulla Terra, dove si trova quasi unicamente legato chimicamente ad altri elementi in numerosissimi composti, quali l acqua, gli idrocarburi e praticamente tutti i composti organici. Per essere utilizzato, deve quindi essere estratto e questa operazione può essere effettuata a partire da differenti fonti energetiche: può essere estratto dagli idrocarburi (infatti è un sottoprodotto delle raffinerie e di molti processi chimici); può essere ricavato per elettrolisi dell acqua; può essere prodotto dalla fermentazione e dal trattamento delle biomasse, nonché prodotto da fonti nucleari. [Perché l idrogeno?] Idrogeno significa generatore di acqua ; allo stato fondamentale è un gas non tossico, incolore, inodore, estremamente volatile che brucia all aria secondo la reazione H2 + 1 /2 O2 = H2O + calore Che dà come unico prodotto acqua e libera calore. l o g i a d e l l e c e l l e a c o m b u s t i o n e p e m L idrogeno presenta il più alto rapporto energia/peso tra tutti i combustibili noti: 1 kg di idrogeno è in grado di liberare la stessa quantità di energia di 2.1 kg di gas naturale e 2.8 kg di benzina. [Come utilizzarlo?] L idrogeno si presta ad essere impiegato come combustibile o nelle celle a combustibile. Come combustibile può essere bruciato in sistemi convenzionali per produrre calore o per azionare turbine o in motori a combustione interna per produrre potenza motrice o elettrica. La combustione di idrogeno non si presenta particolarmente problematica e produce emissioni inquinanti notevolmente inferiori a quelle di altri combustibili. Ma lo strumento principale il cui sviluppo condizionerà pesantemente la reale affermazione dell idrogeno come vettore energetico pulito è senza dubbio la cella a combustibile.

4 [L idrogeno e la sicurezza] L idrogeno è meno infiammabile della benzina. Infatti, la sua temperatura di autoignizione è di circa 550 C, contro i C della benzina. L idrogeno è il combustibile più leggero e perciò si diluisce molto rapidamente in spazi aperti. Quando brucia, l idrogeno si consuma molto rapidamente, sempre con fiamme dirette verso l alto e caratterizzate da una radiazione termica e una lunghezza d onda molto bassa, quindi facilmente assorbibile dall atmosfera. L idrogeno non è tossico, a differenza di benzina e petrolio che sono estremamente tossici e velenosi per gli uomini e la natura se rilasciati involontariamente nell ambiente. [Cos è una cella a combustibile?] La cella a combustibile è un generatore elettrochimico, dove l energia chimica dei combustibili è trasformata direttamente in energia elettrica, senza combustione. La cella è composta da due elettrodi in materiale poroso, separati da un elettrolita. Gli elettrodi fungono da siti catalitici SIDERA 30 per le reazioni di cella che consumano idrogeno ed ossigeno, con produzione di acqua e passaggio di corrente elettrica nel circuito esterno; la trasformazione elettrochimica è accompagnata da produzione di calore. [Come funziona] Una cella a combustibile funziona in modo analogo a una batteria, in quanto produce energia elettrica attraverso un processo elettrochimico; tuttavia a differenza di quest ultima, consuma sostanze provenienti dall esterno ed è quindi in grado di funzionare senza interruzioni, finchè al sistema viene fornito combustibile (idrogeno) e ossidante (ossigeno o aria). Il gas combustibile (idrogeno) e il gas comburente (ossigeno) vengono fatti affluire dalla parte posteriore rispettivamente dell anodo e del catodo e generano energia elettrica attraverso l ossidazione elettrochimica dell idrogeno e la riduzione elettrochimica dell ossigeno.

5 Perché utilizzare una cella a combustibile? Le celle a combustibile rivestono un notevole interesse al fine della produzione di energia elettrica, in quanto presentano caratteristiche energetiche ed ambientali tali da renderne potenzialmente vantaggiosa l adozione. Possiedono: Rendimento elettrico elevato Possibilità di utilizzo di un ampia gamma di combustibili Modularità, che permette di accrescere la potenza installata all aumentare della domanda di energia elettrica Efficienza indipendente dal carico e dalle dimensioni dell impianto Ridottissimo impatto ambientale Possibilità di cogenerazione l o g i a d e l l e c e l l e a c o m b u s t i b i l e p e m e - idrogeno ossigeno (aria) ANODO CATODO idrogeno di ricircolo membrana di scambio protonico vapore e aria CALORE catalizzatori

6 [Lo stack] Una singola cella produce normalmente una tensione di circa 0,7 V e correnti comprese tra 300 e 800 ma/cm2; quindi, per ottenere la potenza e il voltaggio desiderato, più celle vengono disposte in serie a mezzo di piatti bipolari, a formare il cosiddetto stack. Gli stack a loro volta sono assemblati in moduli per ottenere generatori della potenza richiesta. SIDERA 30

7 [Impianti con celle a combustibile] Gli impianti con celle a combustibile sono costituiti da 3 sezioni principali Fonte ENEA Una sezione di trattamento del combustibile (gas naturale, metanolo, gas di sintesi prodotti dalla gassificazione del carbone, biogas) che converte lo stesso in un gas di sintesi contenente idrogeno, purificato secondo le necessità imposte dal tipo di celle. Questa sezione non è necessaria se si utilizza idrogeno Una sezione elettrochimica, costituita da celle che producono energia elettrica per via elettrochimica, attraverso una reazione tra idrogeno alimentato all anodo e ossigeno alimentato al catodo; la trasformazione elettrochimica è accompagnata da produzione di calore Un sistema di condizionamento della potenza elettrica, che trasforma l energia, prodotta sotto forma di corrente elettrica continua, in corrente elettrica alternata. Completano l impianto un sistema di regolazione e di recupero del calore, che può essere utilizzato sia all interno dell impianto, sia per cogenerazione, e un sistema di controllo per il coordinamento delle diverse sezioni dell impianto l o g i a d e l l e c e l l e a c o m b u s t i b i l e p e m

8 [Le celle ad elettrolita polimerico] (PEM Proton Exchange Membrane), operano a temperature comprese tra 70 e 100 C ed utilizzano come elettrolita una membrana solforica perfluorata ad elevata conducibilità protonica. Rispetto ad altre celle presentano una serie di vantaggi: Elevata densità di potenza allo stack (attualmente >1kW/kg) Assenza di problemi di corrosione tipici di altri tipi di celle con elettrolita liquido Relativa semplicità costruttiva Rapidità di partenza a freddo (dell ordine del minuto) SIDERA 30 Le PEM, sviluppate agli inizi degli anni 60 per applicazioni spaziali, sono state recentemente oggetto di interesse per uso in applicazioni stazionarie. [L applicazione stazionaria] Le celle ad elettrolita polimerico trovano applicazione nel settore stazionario per la generazione di potenza nei settori residenziale (2-50kW) e commerciale ( kW).

9 Nella figura è rappresentato un impianto a gas naturale. Il combustibile, dopo la compressione, viene inviato in un dispositivo di desolforazione, quindi il gas purificato è miscelato con acqua in un vaporizzatore ed alimentato in un reformer. La miscela prodotta, ricca di idrogeno, entra prima in un reattore di shift e poi in un reattore di ossidazione selettiva, per ridurre il tenore di CO al di sotto di 10 ppm. Il gas di processo va alimentare la sezione anodica delle celle, dove reagisce con l aria compressa alimentata al catodo. L energia termica necessaria al processo di reforming è fornita dalla combustione dei gas residui provenienti dal modulo elettrochimico; l esausto catodico viene liberato dell acqua contenuta, parte della quale viene inviata nel vaporizzatore per umidificare il combustibile prima di entrare nel reformer. La corrente continua prodotta dagli stack viene convertita in corrente alternata dall inverter, per il collegamento in rete o per le situazioni di generazione ad isola. l o g i a d e l l e Fonte ENEA

10 Cogenerazione civile I fabbisogni energetici delle unità residenziali, condominiali e dei piccoli esercizi commerciali, essenzialmente elettricità, calore e freddo, sono tradizionalmente soddisfatti mediante la fornitura separata dell energia elettrica e termica. Il modello tradizionale per il soddisfacimento di tali fabbisogni prevede la generazione di energia elettrica in grandi centrali termoelettriche, distanti dal bacino di utenza metropolitano, ed il successivo trasferimento mediante la rete di trasmissione e distribuzione alle singole utenze. L energia termica, d altra parte, viene generata presso la singola utenza (sia essa monofamiliare o condominiale) mediante sistemi a combustione per il riscaldamento degli ambienti. L energia frigorifera, infine, si genera mediante sistemi a compressione alimentati dalla stessa rete elettrica. Tale modello è sì collaudato ma è pure affetto da molteplici svantaggi, primo fra tutti un rendimento termodinamico complessivamente basso (se si prendono in considerazione tutti e tre i fabbisogni di cui sopra come output energetici), nonché emissioni inquinanti non trascurabili e la necessità di una efficiente rete elettrica di distribuzione, che si rivela onerosa in termini di costi di investimento e di esercizio. Per l utente finale, il tutto si traduce in ultima analisi in un costo dell energia acquistata piuttosto elevato. L alternativa classica al modello sopra delineato propone grandi reti di teleriscaldamento (o teleraffreddamento) alimentate da centrali cogenerative di taglia relativamente grande, che abbinano alla SIDERA 30 produzione di elettricità la generazione di calore e/o freddo in modo centralizzato. In questo modo si eliminano parte dei problemi sopraccennati, ma permane comunque l inefficacia nei riguardi del contenimento delle emissioni, nonché la necessità di una doppia rete, con i relativi costi, di distribuzione dell energia termica ed elettrica. Lo scenario tecnologico che si sta prospettando negli ultimi anni induce, di fatto, ad assegnare sempre maggiore importanza alla cosiddetta generazione distribuita di elettricità, calore e freddo sul territorio, modificando profondamente sia il ruolo dell attuale rete elettrica sia quello dei sistemi a combustione/compressione per la produzione del calore/freddo. Secondo il modello di generazione distribuita si immagina l inserimento nelle aeree metropolitane di un gran numero di micro-centrali di cogenerazione ad alta efficienza, che soddisfino una porzione significativa dei consumi energetici (elettrici, termici e di climatizzazione) delle utenze domestiche, commerciali e terziarie. Coniugando infatti i meriti termodinamici ben noti della cogenerazione con le prestazioni, in prospettiva elevate, dei più promettenti sistemi di microgenerazione, questo scenario è convenientemente associato ad un utilizzo più razionale delle risorse energetiche, oltre che alla drastica semplificazione delle infrastrutture richieste per il vettoriamento dell energia.

11 Sidera 30 Nelle moderne città europee ci sono molti progetti di teleriscaldamento, a testimonianza della necessità di tornare a centralizzare la produzione per evitare sprechi, garantire appropriate manutenzioni e allontanare i pericoli del combustibile dalle abitazioni. Nei progetti più evoluti, e dove è possibile, si parla di centrali di cogenerazione e teleriscaldamento con combustione a biomasse e combustibili da fonte rinnovabile. Questo perché alla necessità del riscaldamento delle abitazioni si aggiunge la crescente esigenza di energia elettrica. In questo contesto si inserisce perfettamente il progetto Sidera 30 di microcogenerazione a celle a combustibile che ICI Caldaie sta sviluppando. Questa macchina infatti è in grado di soppiantare la caldaia negli impianti centralizzati sostituendone le funzioni e integrando la produzione di energia elettrica. Il cambio sarà tanto più semplice quanto più gli impianti saranno stati ammodernati nel prossimo periodo. La macchina é composta da una unità di reforming per la trasformazione del metano in idrogeno, da quattro stack per la produzione di energia elettrica e calore, da una caldaia a condensazione per l integrazione del fabbisogno termico e da l o g i a d e l l e c e l l e a c o m b u s t i b i l e p e m un refrigeratore (optional) per la produzione di acqua refrigerata. Nel momento in cui sarà disponibile l idrogeno direttamente come combustibile, l evoluzione del prodotto vedrà l eliminazione del reformer. Grazie alla presenza di quest ultimo elemento, sarà possibile una veloce introduzione nel mercato del sistema perché sarà sufficiente allacciare Sidera 30 alla rete del gas, all impianto di riscaldamento e ai contatori elettrici, unificando i consumi energetici in un unica centrale di produzione. Con l installazione di Sidera 30 le unità plurifamigliari saranno in grado di essere autosufficienti nelle produzioni energetiche, ridurre le emissioni inquinanti a zero e vendere gli esuberi elettrici in rete; il tutto con una macchina senza organi in movimento e quindi senza emissioni sonore. Più unità collegate tra loro potrebbero essere in grado di sostituire grandi centrali elettriche sempre più difficili da collocare nel territorio e verrebbero a trovarsi in centro città, direttamente collegate all utenza semplificando i problemi di distribuzione. I vantaggi sono tali da giustificare la scelta di questi prodotti per le semplificazioni logistiche e le ripercussioni ambientali.

12 [Come adeguare gli impianti per questa tecnologia alle porte?] La risposta è nella distribuzione del calore nei vari ambienti attraverso moduli termici satellitari. I moduli termici satellitari sono una risposta alla recente richiesta di prodotti che possano coniugare la versatilità e l autonomia delle caldaie autonome con la semplicità di gestione e gli elevati rendimenti della produzione centralizzata. Il modulo termico satellitare riceve il fluido primario dalla centrale termica e contabilizza tutta l energia che entra nel singolo appartamento permettendo in questo modo ad ogni utente di gestire il proprio consumo e quindi la propria spesa. L idraulica e la regolazione successiva permettono la produzione di calore per il riscaldamento e la produzione di acqua calda sanitaria. Il pannello di comando elettronico permette la contabilizzazione remota e la regolazione di ogni singolo modulo. I moduli sono proposti nelle versioni da incasso e per esterno, con accumulo, istantaneo e per la ripartizione di acqua refrigerata. Nelle versioni più complesse i moduli sono in grado di gestire anche impianti con differenti livelli di temperatura (impianti misti a pavimento) e inversioni estate/inverno per la refrigerazione estiva. SIDERA 30 L applicazione del sistema composto da caldaie a condensazione (oggi e sistemi a celle a combustibile domani) e moduli di contabilizzazione si sposa benissimo con i moderni condomini, uffici, edifici pubblici, ed altre strutture edilizie conciliando l esigenza di un autonoma gestione con produzione centralizzata. Modulo RADIAX BOX

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14 SIDERA 30 ICI Caldaie da più di quarant anni opera nel settore professionale del riscaldamento con la progettazione e la produzione di generatori di calore ad uso civile ed industriale. Il campo di potenza delle soluzioni disponibili spazia dalle caldaie a condensazione da 30 kw ai generatori di vapore da kw; offrendo soluzioni agli utilizzatori di calore di altissimo livello. Il processo innovativo che contraddistingue ICI Caldaie è documentabile in tutta la sua storia. Generatori a temperatura scorrevole e a condensazione caratterizzano la recente produzione in campo civile, con una forte proposta al mercato di soluzioni ad elevato risparmio energetico. In linea con questa spinta innovativa è stato approvato di recente il progetto Sidera 30: un applicazione stazionaria delle fuel cel per la produzione di calore e energia elettrica. L impiego dell idrogeno nel prossimo futuro non è più fantascienza, ma una soluzione concreta da applicare agli impianti che oggi progettiamo.

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