Introduzione dell idrogeno come vettore energetico

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1 L idrogeno come vettore energetico: stato delle tecnologie e dei i sistemi Casaccia, 19 giugno 2003 Introduzione dell idrogeno come vettore energetico Raffaele Vellone IDROCOMB Grande Progetto Idrogeno e Celle a Combustibile

2 Lo sviluppo sostenibile nel settore energetico Occorre operare perché il sistema energetico mondiale evolva in modo sostenibile, dal punto di vista ambientale, delle risorse e socio-economico. La sostenibilità è resa critica da: Esauribilità delle fonti fossili Modifiche del clima globale per effetto serra ed inquinamento generato dalla maggior parte dei cicli energetici Mancanza di equità nella distribuzione e nell uso delle risorse energetiche Competitività economica Sicurezza approvvigionamento energetico Sistema energetico futuro Integrità ambientale Grande Progetto Idrogeno e Celle a Combustibile

3 Il problema delle emissioni di gas serra Il principale responsabile dell effetto serra è l anidride carbonica. All inizio del secolo la CO 2 nell aria era pari a 290 parti per milione (ppm) ora è circa 380 ppm La combustione è il maggior responsabile delle emissioni di gas serra (quasi l 80% in Italia) Le previsioni dei consumi di energia per il prossimo secolo fanno prevedere un continuo aumento delle emissioni di CO 2 e della sua concentrazione in atmosfera, a meno di sostanziali cambiamenti del sistema energetico Grande Progetto Idrogeno e Celle a Combustibile

4 Emissioni CO 2 Emissioni CO 2 (Gt C/anno) Stabilizzazione a 550 ppm A1 IS92a AIFI Fonti fossili A1T Fonti non fossili A1B Equilibrio fonti fossili ed altre fonti Scenario business as usual (1992) A1 A2 B1 B2 CRESCITA DEMOGRAFICA bassa bassa alta intermedia SVILUPPO ECONOMICO Alto paesi industrializzati, alto PVS Alto paesi industrializzat, medio PVS Alto paesi industrializzati, basso PVS Alto paesi industrializzati, basso PVS TECNOLOGIE Tutte le ipotesi in modo sistemico Evoluzione tecnologica lenta e frammentaria Sviluppo sostenibile, uso contenuto risorse Evoluz. diversificata e lenta, orientata allo sviluppo sostenibile Grande Progetto Idrogeno e Celle a Combustibile

5 Emissioni CO 2 Stime al 2030 Grande Progetto Idrogeno e Celle a Combustibile

6 Il processo di decarbonizzazione Percento del mercato totale Legno CRESCITA ECONOMICA NON SOSTENIBILE Idrogeno gas di città Olio di balena Carbone e nucleare Petrolio e Idroelettr. Olio di petrolio SOLIDI LIQUIDI Metano Idrogeno GAS Metano Petrolio CRESCITA ECONOMICA SOSTENIBILE Consumi reali Source: GHK Company Grande Progetto Idrogeno e Celle a Combustibile

7 Interventi per la riduzione delle emissioni dei gas serra L aumento dell efficienza dei sistemi, con riduzione del consumo di combustibili fossili L espansione dell impiego di fonti a basso o nullo contenuto di carbonio (GN, rinnovabili, nucleare) La separazione della CO 2 prodotta nella trasformazione dei combustibili fossili e il confinamento della stessa L aumento del potenziale di assorbimento della CO 2 da parte dell ecosistema Grande Progetto Idrogeno e Celle a Combustibile

8 Perché l idrogeno? Riduzione dell inquinamento locale e globale (effetto serra) Diversificazione delle fonti energetiche Sviluppo sostenibile Grande Progetto Idrogeno e Celle a Combustibile

9 Impatto sulla salute COSTI, /L AREE AD ALTA DENSITÀ DI POPOLAZIONE (es. Parigi) AREE URBANE (es. Amsterdam, Stoccarda) AREE EXTRAURBANE (Guida in autostrada) AUTO DIESEL 8,4 0, ,45-0,57 AUTO A BENZINA 1,01 0,10 0,18 0,09-0,13 Consumo:7 litri/100 km Adattato da ExternE (Rapporto External Costs of Transport in ExternE, 1997) Grande Progetto Idrogeno e Celle a Combustibile

10 Fonti Conversione ad emissioni zero Utilizzo Fossili Rinnovabili Petrolio Gas naturale Carbone Nucleare Eolico, PV Solare Biomasse Reforming Reforming Gassificazione Processi termochimici Elettrolisi Processi termochimici Gassificazione CO 2 IDROGENO Idrogenodotti Richiede accumulo e distribuzione H 2 Generazione potenza distribuita Residenziale Altro Industria Trasporto CO 2 Confinamento CO 2 Grande Progetto Idrogeno e Celle a Combustibile

11 Visione idrogeno Solare termico Impianto eolico Biomasse H 2 Impianto fotovoltaico Centrale elettrica Impianto di produzione H 2 CO 2 Celle a combustibile H 2 Stazione di servizio Gas naturale Giacimento esaurito Acquifero salino Grande Progetto Idrogeno e Celle a Combustibile

12 Produzione idrogeno I combustibili fossili rappresentano la soluzione più vicina e quella su cui puntare per il medio termine Le tecnologie di produzione sono mature, ma suscettibili di ulteriori miglioramenti da un punto di vista energetico e ambientale Il problema da risolvere è quello della separazione e del sequestro della CO 2 prodotta insieme all idrogeno, vanno comunque studiati processi avanzati che non producano CO 2 Grande Progetto Idrogeno e Celle a Combustibile

13 Separazione CO 2 Occorre valutare le diverse soluzioni possibili per il sequestro della CO 2, con particolare riferimento al confinamento geologico in acquiferi salini e giacimenti esauriti di metano o petrolio Lo sviluppo di soluzioni economiche ed affidabili per la separazione ed il sequestro della CO 2 costituisce di per sé un programma di ampie dimensioni Sequestro negli oceani Stoccaggio sotterraneo Produzione prodotti avanzati Uso industriale Cattura dall atmosfera Fotosintesi mirata alla CO 2 Grande Progetto Idrogeno e Celle a Combustibile

14 Produzione idrogeno Nel lungo termine, l idrogeno può essere prodotto da fonti rinnovabili: I processi di produzione a partire da biomasse richiedono tutti un impegno notevole di ricerca, sviluppo e dimostrazione La produzione per elettrolisi dell acqua è un processo maturo, il cui costo può diventare accettabile solo con energia elettrica a costo estremamente basso Sono in sviluppo altre tecnologie (solare termodinamico ad alta T mediante cicli termochimici, fotoelettrochimico, produzione biologica) Grande Progetto Idrogeno e Celle a Combustibile

15 Stime dei costi di produzione dell idrogeno PRODUZIONE CENTRALIZZATA Reforming del gas naturale (H2 gas) Reforming del gas naturale (H2 liquido) Altre fonti fossili (POX idrocarburi, gassificazione del carbone) Gassificazione biomasse Costo /GJ PRODUZIONE DISTRIBUITA Reforming on-site del gas naturale Elettrolisi (energia elettrica da rete) Elettrolisi (eolico) Elettrolisi (solare termico) Elettrolisi (fotovoltaico) Costo /GJ Grande Progetto Idrogeno e Celle a Combustibile

16 Distribuzione e trasporto dell idrogeno Un ampio uso dell idrogeno come vettore energetico richiede una sua disponibilità su larga scala, per le diverse applicazioni e in prossimità del punto d uso L idrogeno è attualmente distribuito in forma liquida e come gas compresso, in bombole utilizzando autocarri o in gasdotto Grande Progetto Idrogeno e Celle a Combustibile

17 Sistemi di stoccaggio dell idrogeno a bordo di veicoli Idrogeno compresso Idrogeno liquido Serbatoi TriShield TM, Quantum Technology (350 bar) GM e la QUANTUM hanno ricevuto l omologazione da parte del TÜV, per serbatoi a 700 bar. Idruri metallici Sistema di accumulo in idruri metallici Ovonic Serbatoio per idrogeno liquido - Linde Grande Progetto Idrogeno e Celle a Combustibile

18 Utilizzo dell idrogeno L idrogeno può essere impiegato per: Usi industriali Sistemi di generazione stazionaria Celle a combustibile Turbine Sistemi per trasporto Celle a combustibile Motori a combustione interna Grande Progetto Idrogeno e Celle a Combustibile

19 Sicurezza Studi in cui vengono paragonati idrogeno, metano e benzina, indicano che nessun combustibile è intrinsecamente più sicuro di un altro, ma che in ogni caso tutti possono essere utilizzati in modo sicuro Per applicazioni specifiche le caratteristiche di sicurezza dell idrogeno possono risultare superiori a quelle dei combustibili tradizionali tempo: 0 min, 3 secondi Auto a idrogeno Auto a benzina Tempo: 1 min, 0 sec Fonte: M. R. Swain, Miami University, FL (US) Grande Progetto Idrogeno e Celle a Combustibile

20 Sicurezza Gas ricchi d idrogeno sono stati impiegati per usi industriali e residenziali per oltre un secolo, prima che si rendesse disponibile il gas naturale Il gas di città, distribuito in passato nelle nostre case e tuttora ampiamente utilizzato, é infatti costituito da circa 50% di idrogeno e 50% di monossido di carbonio Un ampia diffusione dell idrogeno richiede una serie di iniziative rivolte al superamento delle barriere all introduzione dell idrogeno su larga scala e quindi sviluppo di componenti rispondenti a criteri di sicurezza, definizioni di normative e standard per l uso sicuro dell idrogeno Grande Progetto Idrogeno e Celle a Combustibile

21 Idrogeno Programmi di Ricerca, Sviluppo e Dimostrazione STATI UNITI Hydrogen R&D Program (DoE) Vision 21 Program FreedomCAR California Fuel Cell Partnership EUROPA V-VI Programma Quadro EU TES Program (Germania) Clean Urban Transport for Europe (Germania) EQHHPP Programmi sull idrogeno sono in corso in Islanda, Norvegia, Francia. GIAPPONE WE-Net Program Japan Hydrogen & Fuel Cell Demostration Project/METI Grande Progetto Idrogeno e Celle a Combustibile

22 Transizione ad un economia basata sull idrogeno Strategia USA PROCESSI DI PRODUZIONE Reforming del GN/biomasse Gassificazione del carbone Elettrolisi usando solare e nucleare Prod. termochimica dall acqua Fotolisi dell acqua TRASPORTO E DISTRIBUZIONE Idrogenodotti Trasporto su strada o rotaia Stazioni distribuite sul territorio con prod. on-site Reti di distribuzione integrate TECNOLOGIE DI STOCCAGGIO Serbatoi pressurizzati (H 2 liq. e gassoso) Accumulo in idruri Tecnologie mature per produzione di massa Accumulo in materiali solidi (nanostrutture, nanotubi) TECNOLOGIE DI CONVERSIONE Impianti tradizionali (combustione) Celle a combustibile Combustione avanzata Tecnologie mature per produzione di massa USI FINALI Generazione di potenza distribuita Generazione portatile Flotte pubbliche Cogenerazione Flotte commerciali Trasporto privato Generazione di potenza /Aziende elettriche Grande Progetto Idrogeno e Celle a Combustibile

23 Programma UE IDROGENO CELLE A COMBUSTIBILE Sviluppo Sostenibile, Cambiamento Globale e Ecosistemi Nell ottobre 2002 è stato costituito un gruppo di esperti composto da rappresentanti di grandi industrie europee del settore automobilistico ed energetico, dei servizi pubblici, di istituti di ricerca, con il compito di definire le strategie e le priorità a livello europeo per promuovere la diffusione e l utilizzo dell idrogeno e delle celle a combustibile. Grande Progetto Idrogeno e Celle a Combustibile

24 Strategia UE Nazione Belgium Germany France Iceland Italy Norway Spain Sweden The Netherlands United Kingdom Organizzazione Solvay, Vandenborre Technologies Siemens-Westinghouse, Daimler- Chrysler, Ballard Power Systems, FZJulich, UITP CEA, Air Liquide, Renault Iceland Parliament Member ENEA, Nuvera Fuel Cells Europe Norsk Hydro CIEMAT Sydkraft Shell Johnson Matthey, Rolls Royce Il documento sulla Visione Europea del possibile ruolo che l idrogeno e le celle a combustibile potrebbero giocare per ottenere un sistema energetico sostenibile è stato presentato nella Conferenza The hydrogen economy a bridge to sustainable energy che si è tenuta a Bruxelles il giugno Grande Progetto Idrogeno e Celle a Combustibile

25 Visione Europea (Schema in fase di valutazione ) Produzione e distribuzione idrogeno Cluster di reti di distribuzione H 2 Uso di H 2 in grandi applicazioni industriali Prime stazioni di distribuzione H 2 Trasporto su strada e produzione on site alla stazione di servizio (reforming ed elettrolisi) H 2 prodotto per reforming del GN ed elettrolisi Fonti fossili 2000 Celle a combibile diventano una tecnologia di largo Ampie reti di idrogenodotti 2030 impiego per trasporto, generazione di potenza Interconnessione di reti di distribuzione H 2 locali e microgenerazione Produzione di idrogeno da rinnovabili Gassificazione biomasse Ampio uso di FCEV a H 2 H 2 prodotto da fossili con sequestro CO Aumento della decarbonizzazione della produzione H 2 Rinnovabili, fossili con sequestro CO2 e nuovo nucleare 2020 Produzioni di serie di FCEV per flotte / Unità APU commerciali PEFC (< 300 kw) e SOFC/GT (1 MW) commerciali Nicchie di mercato per PEFC per usi residenziali Motori a combustione interna ad idrogeno Idrogeno Significativa crescita di generazione di potenza distribuita, con sostanziale penetrazione delle celle a combustibile Sistemi di accumulo H 2 di 2 a generazione FCEV competitivi I flotte a H2 (Sistemi di stoccaggio H 2 di 1 a generazione) Produzione di FCEV per flotte Sviluppo celle a combustibile e applicazioni Grande Progetto Idrogeno e Celle a Combustibile

26 Situazione internazionale EUROPA V Programma Quadro EU Reykjavik Stoccolma Citaro Progetto ECTOS - Ecological Cities Transport Systems 3 autobus in servizio nella città di Reykjavik da settembre 2003 Amburgo Londra Amsterdam Lussemburgo Stoccarda Progetto CUTE - Clean Urban Transport for Europe 27 autobus in 9 città europee, Porto Madrid Barcellona Collegato al Progetto CUTE è il Programma STEP (Sustainable Transport Energy for Perth) 3 autobus in servizio a Perth (Australia) tra il Grande Progetto Idrogeno e Celle a Combustibile

27 Programma UE SIXTH FRAMEWORK PROGRAMME Medio-lungo termine SISTEMI ENERGETICI SOSTENIBILI Celle a combustibile e loro applicazioni Nuove tecnologie per il trasporto e lo stoccaggio di vettori energetici (idrogeno) Fonti energetiche rinnovabili e loro integrazione nel sistema energetico Cattura e sequestro CO 2, associata con impianti alimentati con combustibili fossili Grande Progetto Idrogeno e Celle a Combustibile

28 Sistemi energetici sostenibili Attività di R&S sulle celle a combustibile Obiettivi SIXTH FRAMEWORK PROGRAMME Sviluppo di sistemi con celle a combustibile ad elettrolita polimerico e loro componenti per usi stazionari e per trasporto Obiettivi Costo del sistema: < 100 /kw per usi stazionari e 50 /kw per applicazioni nel trasporto (per produzione di serie) Durata: > h per usi stazionari e 5000 h per trasporto Sviluppo di sistemi con celle a combustibile ad alta temperatura, per generazione distrinuita, applizazioni CHP e usi nel trasporto, con potenza nell intervallo da alcuni kw fino a qualche MW. Obiettivi Costo del sistema: < 1000 /kw (150 /kw per unità di potenza ausiliaria) Durata: > h Grande Progetto Idrogeno e Celle a Combustibile

29 Programma UE SIXTH FRAMEWORK PROGRAMME SISTEMI DI TRASPORTO SOSTENIBILI Nuovi concetti e tecnologie per tutti i modi di trasporto di superficie (ferrovia, strada e vie d acqua). Ricerche focalizzate su: sistemi di propulsione ad alta efficienza e loro componenti, alimentati con carburanti alternativi e rinnovabili, tenendo conto dell infrastruttura di rifornimento del carburante Sviluppo di sistemi di propulsione ad emissioni zero o vicine allo zero e relativi componenti, in particolare quelli che integrano celle a combustibile e sistemi di combustione e le relative infrastrutture di rifornimento nel sistema di trasporto; concetti integrati per trasporti urbani non inquinanti ed uso più razionale delle automobili in città. Grande Progetto Idrogeno e Celle a Combustibile

30 Linee di sviluppo PRODUZIONE DA FONTI FOSSILI CICLO INTEGRATO DI H 2 DA CARBONE AD EMISSIONE ZERO Studio di un processo per la produzione di idrogeno da carbone con il metodo ZEC (Zero Emission Coal) con confinamento mediante mineralizzazione della CO 2 e produzione di energia elettrica, ad emissioni zero CONFINAMENTO CO 2 Valutazione della fattibilità del confinamento in giacimenti esauriti ed acquiferi salini profondi Impianto con sequestro CO 2 Giacimento esaurito Acquifero salino Analisi della potenzialità di confinamento in ambito nazionale ed individuazione siti per esperienze dimostrative Grande Progetto Idrogeno e Celle a Combustibile

31 Linee di sviluppo PRODUZIONE DA FONTI RINNOVABILI CICLI TERMOCHIMICI H 2 O Selezione di cicli termochimici (ossidi metallici, zolfo-iodio, UT3) O 2 SO 2 I 2 H 2 Realizzazione e sperimentazione di impianti pilota H 2 SO 4 H 2 O+SO 2 +½O 2 H 2 SO 4 I 2 +SO 2 +2H 2 0 H 2 SO 4 + 2HI HI 2HI H 2 + I 2 Grande Progetto Idrogeno e Celle a Combustibile

32 Linee di sviluppo ACCUMULO IDROGENO Sviluppo di materiali innovativi per l accumulo di idrogeno Idruri nanostrutture di carbonio Sviluppo di sistemi di accumulo per applicazioni alla trazione Grande Progetto Idrogeno e Celle a Combustibile

33 Linee di sviluppo CELLE A COMBUSTIBILE Sviluppo della tecnologia delle celle ad elettrolita polimerico e del sistema, con realizzazione di impianti dimostrativi in campo stazionario (potenza fino a qualche decina di kw) e nella trazione Sviluppo della tecnologia delle celle a carbonati fusi e del sistema, con realizzazione di impianti dimostrativi per applicazioni stazionarie (potenza kw) Grande Progetto Idrogeno e Celle a Combustibile

34 Sistemi con celle a combustibile Situazione industriale in Italia PEFC Sistemi PEFC fino a 75 kw per usi stazionari e trasporto MCFC ANSALDO Ansaldo Fuel Cells SpA Dimostrazione impianti dimostrativi di potenza kw ( Serie 500 ) Roen Est Sviluppo di generatori portatili e per usi residenziali (1-5 kw) Grande Progetto Idrogeno e Celle a Combustibile

35 Veicoli a celle a combustibile realizzati in Italia Progetto IRISBUS (ATM, IRISBUS ITALIA S.p.A., SAPIO S.r.l., CVA Compagnia Valdostana Acque S.p.A., ENEA, ANSALDO Ricerche S.r.l.) 600 ELETTRA Scooter MOJITO FC Bicicletta "Enjoy" Grande Progetto Idrogeno e Celle a Combustibile

36 Conclusioni L idrogeno può dare anche in Italia un contributo importante allo sviluppo, nel medio-lungo termine, di un sistema energetico sostenibile Le barriere da superare, sia tecniche che non tecniche, sono numerose ed è necessario l impegno di risorse ingenti ed il coinvolgimento di competenze e soggetti diversi (Ministeri, strutture di ricerca, industria, utenti) I finanziamenti pubblici previsti potranno dare un impulso importante all avvio di un programma organico sull idrogeno e alle attività sulle celle a combustibile; un analogo contributo in tal senso potrà venire dal VI Programma Quadro UE, e dalle collaborazioni internazionali possibili in tale ambito. Grande Progetto Idrogeno e Celle a Combustibile