LO STATO DELL ARTE DELLA RICERCA NEL CAMPO DELLE FONTI RINNOVABILI Fabrizio Cumo, Fabio Fraticelli Università di Roma Sapienza
TECNOLOGIA FOTOVOLTAICA L interese della ricerca si focalizza sullo sviluppo di tecnologie di produzione di celle fotovoltaiche basate sull impiego di nuovi materiali e su processi di fabbricazione innovativi. Infatti i processi di liquefazione, cristallizzazione e drogaggio necessari per la realizzazione di celle solari al cilicio, che oggi dominano il mercato, rendono tale tecnologia costosa.
Fotovoltaico Organico L uso di film sottili permette di diminuire la quantità di materiale impiegato. In quest ambito, una delle tecnologie più interessanti è quella del fotovoltaico organico, che ha iniziato a farsi strada nei laboratori di ricerca internazionale attorno agli anni Novanta. Le celle solari organiche sono dispositivi la cui parte fotoattiva è basata sui composti organici del carbonio. La gamma di celle solari organiche è ampia e si trova in diversi stadi di ricerca e di maturazione tecnologica.
Celle Solari Organiche: La parte fotoelettricamente attiva, spessa qualche micrometro ed inserita tra due elettrodi, è costituita da: un pigmento organico, da ossido di titanio da un elettrolita. Ispirandosi al processo di fotosintesi clorofilliana, queste celle utilizzano una miscela di materiali in cui un pigmento assorbe la radiazione solare e gli altri componenti estraggono la carica per produrre elettricità. La gamma di pigmenti che possono essere impiegati varia da quelli estratti da composti vegetali ( come le antocianine derivate dai frutti di bosco) a quelli ottimizzati per via chimica.
I nuovi materiali Il grosso vantaggio dei nuovi materiale è che possono essere depositati su larghe aree a costi ridotti, sia in soluzione liquida come veri e propri inchiostri o paste o attraverso semplici processi di evaporazione. Le attività di ricerca, infatti, sono indirizzate a definire processi di fabbricazione attraverso metodi tipici dell industria della stampa.
Estrazione di Energia Geotermica da depositi salini a media- bassa profondità Sistemi a bassa entalpia: caratterizzati da una temperatura del serbatoio < 125 C. Utilizzo del calore per scopi diretti Applicazioni: Gli impieghi non elettrici dei fluidi geotermici, possono essere raggruppati nelle seguenti categorie di utilizzo: Usi agricoli, zootecnici e di acquacoltura; Riscaldamento- climatizzazione di luoghi abitati ed altri usi civili. Usi industriali.
Metodo innovativo I depositi salini o i duomi salini costituiscono delle anomalie geotermiche. Il salgemma quando è puro ha una conduttività pari a 17 cgs. Esprimendoci in unità 10-3 cgs, le rocce sedimentarie hanno una conduttività compresa fra 1,0 e 8,0; le rocce metamorfiche da 5,2 a 8,4; le rocce ignee da 3,1 a 9,8. Un deposito salino poco profondo può funzionare come un condotto per portare il calore verso la superficie dall interno della crosta terrestre. Regioni d interesse sul territorio nazionale: Sicilia, Toscana, (anidridi di Burano) Campania, Basilicata. Scambiatore di calore geotermico Basso impatto ambientale: Nessun inquinamento dell aria e dell acqua; Nessun impatto visivo; Nessun rumore prodotto dall impianto.
Estrazione di Energia Geotermica da depositi salini a media- bassa profondità Depositi del Trias superiore (160.000 di anni fa). Affioramenti si trovano in tutta la Toscana, lungo il crinale appenninico dal Passo del Cerreto fino a Perugia. A Nord dell'arno sono presenti solo ad Est delle Alpi Apuane (Passo del Cerreto e Soraggio); a Sud dell'arno sono diffuse dal Tirreno fino all'umbria, fatta eccezione per l'argentario e il nucleo metamorfico della Montagnola Senese. In sondaggio sono state incontrate a Pontetetto di Lucca, immediatamente a Nord del Nucleo Metamorfico Pisano, e in tutta la Toscana meridionale.
CELLE A COMBUSTIBILE Le celle a combustibile convertono direttamente aria e combustibile in energia elettrica, calore e acqua attraverso un processo termochimico con rendimenti di conversione maggiori rispetto a quelli delle macchine termiche tradizionali. Le FC operano in maniera continua finché al sistema viene fornito combustibile ed ossidante. Non hanno parti mobili e pertanto hanno meno perdite di rendimento e minori emissioni dei motori convenzionali. VANTAGGI Elevata efficienza. Emissioni nulle utilizzando idrogeno. Semplicità meccanica. Assenza di vibrazioni. Bassa rumorosità. Ridotta necessità di manutenzione. Possibilità di cogenerare con rapporti elettricità/calore superiori rispetto agli impianti CHP convenzionali.
TIPOLOGIE DI CELLE A COMBUSTIBILE CELLE A BASSA TEMPERATURA AFC Vantaggi Svantaggi Applicazioni Densità di potenza elevata PEFC Elettrolita non volatile, Minimi problemi di materiali e corrosione, Alta densità di potenza, Resistenza a CO2, Bassi tempi di avviamento CELLE AD ALTA TEMPERATURA PAFC MCFC SOFC Disponibilità di Resistenza a CO2, Alta efficienza globale in applicazioni cogenerative, Tecnologia matura Nessuna resistenza a CO e scarsa al CO2, Estrema purezza gas di alimentazione Bassa tolleranza a CO, Problemi di gestione dell H2O; Durata ridotta Bassa tolleranza a CO Appl. Spaziali, generatori portatili, trasporto Piccoli generatori per cogenerazione e usi residenziali, trasporto Cogenerazion e, potenza distribuita calore ad alta temperatura; Rendimento elevato; Possibilità di reforming interno Lunga durata Bassi costi prodotto industrializzato Ricircolo di CO2, Alto tempo di avviamento Autosostentamento Cogenerazione industriale, potenza distribuita Disponibilità di calore ad alta temperatura, Assenza di catalizzatori, Rendimento elevato Sollecitazioni termiche elevate nei materiali, Alto tempo di avviamento Cogenerazione industriale, potenza distribuita
LE CELLE A COMBUSTIBILE AD ALTA TEMPERATURA CONSENTONO DI SFRUTTARE IL CALORE AD ALTA TEMPERATURA PER SCOPI COGENERATIVI. Nel campo delle FC operanti a temperature elevate, le celle a combustibile a carbonati fusi (Molten Carbonate Fuel Cell MCFC) presentano prerogative interessanti che ne potrebbero permettere l affermazione nel settore residenziale: BASSI COSTI di realizzazione del prodotto industrializzato; elevato grado di TOLLERABILITA delle impurezze che consente l alimentazione diretta con il metano della rete o distillati leggeri; REFORMING interno del combustibile. PRINCIPALE SVANTAGGIO DELLE MCFC: AUTOSOSTENTAMENTO che ha finora limitato lo stato della tecnologia a taglie > 100 kw precludendone l accesso al mercato del residenziale.
ATTIVITA DEL LABORATORIO DI CELLE A COMBUSTIBILE Le principali attività del laboratorio celle a combustibile di Terni riguardano lo studio, lo sviluppo e la prototipazione di un innovativa tipologia di cella a combustibile, unica nel panorama mondiale, basata sulla tecnologia dei carbonati fusi e sulla geometria cilindrica di taglia idonea ad applicazioni cogenerative residenziali (3-5 kw) in grado di essere alimentata dal gas di rete e con efficienze paragonabili a quelle delle nuove centrali di ciclo combinato (50% circa). Tale attività ha portato alla realizzazione di 3 prototipi e 1 brevetto. I principali benefici introdotti dalla tecnologia brevettata sono: elevata efficienza elettrica; minimizzazione delle dispersioni termiche verso l esterno; possibilità di alimentazione con diversi tipi di combustibili tra cui metano di rete; elevata durata (attualmente si è arrivati a circa 16.000 ore di funzionamento); tenuta dei gas tra i diversi piatti meno problematica grazie all adozione di una geometria cilindrica; modularità consentita dalla presenza di manifolds interni; possibilità di cogenerazione a partire dai 2,5 kw.
Le prove sperimentali hanno consentito di ottenere i seguenti risultati: perfezionamento delle PROCEDURE DI CONDIZIONAMENTO DEI COMPONENTI ATTIVI DI CELLA, in relazione alle maggiori dimensioni, che ha portato alla codifica di un protocollo da seguire per lo start-up; individuazione dei PROBLEMI STRUTTURALI E DI MATERIALI, correlati alle maggiori dimensioni della cella, principalmente dovuti alle alte temperature.
TECNOLOGIE INNOVATIVE NELLA CONVERSIONE ENERGETICA DA BIOMASSA L utilizzo delle biomasse ha un potenziale stimato in Italia pari a circa 21-23 Mtep e copre solo il 2,5 del fabbisogno energetico nazionale. Le tecniche più mature per la valorizzazione energetica delle biomasse sono: La combustione diretta La trasformazione in biocombustibili liquidi (biodiesel da specie oleaginose e bioetanolo da specie zuccherine e amidacee); La produzione di biogas da fermentazione anaerobica di reflui zootecnici, civili o agroindustriali
Nel settore della ricerca applicata la tecnologia più prossima alla fase di preindustrializzazione è quella della gassificazione: Il processo di gassificazione consiste nella trasformazione di un combustibile solido, nel caso della biomassa, in combustibile gassoso, tramite la reazione con l ossigeno. Ricerche in corso: Gassificazione con Ossigeno Sviluppo proecesso gassificaizone ad O con studio della fluidodinamica e della cinetica chimica; Gassificazione con Vapore: Sviluppo di gassificatore pressurizzato a vapore e possibili ottimizzazioni impiantistiche; Pulizia Gas prodotto Sviluppo sistemi di cleaning del gas per l eliminazione di polveri; Water Shift a CO Conversione catalitica del CO in H con reattori fissi; Separazione H2 Sviluppo e messa a punto di tecniche per la separazione dell H mediante adsorbimento selettivo con membrane;
La ricerca nazionale e internazionale è maggiormente impegnata sui processi di conversione quali la pirolisi: La pirolisi è un processo termico di degradazione della biomassa. Attraverso la pirolisi il materiale lignocellulosico viene generalmente trasformato in una frazione gassosa a basso-medio potere calorifico, una frazione liquida oleosa contenente acqua e composti organici a basso-medio peso molecolare ed un prodotto solido carbonioso. Ricerche in corso: Chimica degli Oli di Pirolisi Stabilizzazione degli oli per medi-periodi (2-6 mesi); Reforming H2 Conversione catalitica in H con reattori fissi. Recenti studi stanno valutando la possibilità di impiegare l olio di pirolisi per la produzione di H2 attraverso reforming catalitico per applicazioni su celle a combustibile. Da segnalare il progetto BIOELECTRICITY (Efficient and clean production of electricity from biomass via pyrolysis oil and hydrogen, utilizing fuel cells) cofinanziato dalla UE e a cui partecipano, oltre ad ENEA ed Ansaldo, diversi istituti ed università europee. L obiettivo del progetto è la messa a punto di un processo catalitico per il reforming dell olio di pirolisi in idrogeno e monossido di carbonio, per alimentare una fuel cell a carbonati fusi in applicazioni stazionarie.
Biocombustibili liquidi da fermentazione alcolica: processo biochimico di trasformazione degli zuccheri in alcol etilico Ricerche in corso: Pretrattamento con vapore delle biomasse Aggiunta di catalizzatori acidi o basici per aumentare il recupero dei carboidrati. Fermentazione dell emicellulosa Selezionare ceppi in grado di convertire i C5 (zuccheri a 5 atomi di C) in etanolo con alta produttività Idrolisi enzimatica della cellulosa miglioramento delle rese di conversione e recupero degli enzimi Nell ambito del progetto BIOPAL (Bioplastics (Bioplastics and biofuels from algae, algae, cofinanziato dalla UE, VFP) l ENEA ha verificato con successo la possibilità di utilizzare le piante marine piaggiate iate del genere Zostera per produrre etanolo. piagg Tali processi presentano difficoltà tecnicotecnico-scientifiche in corso di superamento, che ancora incidono sulla economicità, ma allo stesso tempo costituiscono un forte stimolo alla ricerca. ricerca. Il processo di steam explosion consiste nell uso di vapore saturo ad alta pressione per riscaldare riscaldare rapidamente la biomassa in un reattore continuo o discontinuo. Le attività di ricerca hanno dimostrato che le biomasse lignocellulosiche possono essere convertite in etanolo con rese significative. Per esempio, i ricercatori del CIEMAT (Spagna) hanno hanno sviluppato un processo per produrre 1 litro di etanolo da 6 kg di paglia, ad un costo di 18 c, c, mentre un litro prodotto da orzo (ne occorrono 3 kg) costa 36 c. c. Stime indipendenti effettuate dall ENEA porterebbero molto più prudentemente prudentemente a collocare il prezzo dell etanolo da lignocellulosici (escludendo l accisa) in linea con quelli alla pompa degli idrocarburi. idrocarburi.
Isole 1+3 Cogenerazione con motore a combustione interna combustibile 100% perdite 12% energia termica 56% energia meccanica 44% energia termica utile 44% energia elettrica 42% perdite 2%
Isola 2 Solare termico produzione fluido caldo a bassa temperatura
Isola 4 Solare termico produzione fluido caldo ad alta temperatura (tubi sottovuoto)
Isola 5 Celle a combustibile: utilizzo dell idrogeno
Isola 6 Moduli fotovoltaici conversione di energia solare in energia elettrica
Isole 7+8 Trigenerazione con microturbina e macchine ad assorbimento combustibile 100% perdite 13% energia termica 68% energia meccanica 32% energia termica utile 55% energia elettrica 30% perdite 2% energia frigo 45%