I programmi dell ENEA nel settore dell idrogeno e delle celle a combustibile

Premio Sapio - Giornata di Studio su Tecnologie d eccellenza nelle applicazioni industriali Catania 30 ottobre 2009 ENTE PER LE NUOVE TECNOLOGIE, L ENERGIA E L AMBIENTE I programmi dell ENEA nel settore dell idrogeno e delle celle a combustibile Francesco Di Mario, Marina Ronchetti ENEA, Unità Idrogeno e Celle a combustibile MR/2009-1

ENEA L ENEA (Agenzia nazionale per le nuove tecnologie, l energia e lo sviluppo economico sostenibile) è un ente pubblico finalizzato alla ricerca e all innovazione tecnologica nei settori di competenza L intervento nel settore dell energia riguarda: Efficienza energetica Energie rinnovabili Utilizzo pulito dei combustibili fossili Energia nucleare da fissione e da fusione Nel quadro dei programmi per lo sviluppo di un sistema energetico sostenibile si inseriscono le attività su idrogeno e celle a combustibile MR/2009-2

Perché idrogeno e celle a combustibile? L impiego dell idrogeno e delle celle a combustibile in numerose applicazioni sia stazionarie (generazione distribuita di diversa taglia) che mobili può consentire di: Ridurre le emissioni, sia a livello locale che globale (gas serra) Diversificare le fonti primarie e aumentare la sicurezza degli approvvigionamenti, favorendo la diffusione delle fonti rinnovabili e l impiego pulito dei combustibili fossili Aumentare la competitività dell industria nel settore delle tecnologie avanzate MR/2009-3

Ciclo dell idrogeno Steam reforming (on site) GAS NATURALE Reforming CGH 2 Fossili OLI PESANTI / RESIDUI I RAFFINERIA CARBONE Ossidazione parziale Gassificazione LH 2 Idrogenodotto o trasporto su strada Elettrolisi (on-site) ELETTRICITÀ Elettrolisi Rinnovabili EOLICO, PV, IDROELETTRICO BIOMASSE Elettrolisi Gassificazione Processi foto-biologici Trasporto di LH 2 su strada Elettrolisi (on-site) COLLETTORI SOLARI Processi termochimici NUCLEARE Processi ad alta T MR/2009-4

Idrogeno come vettore energetico Lo sviluppo dell idrogeno come vettore energetico: Comporta mutamenti sostanziali nel sistema energetico, dalle fonti utilizzate alle tecnologie d uso finale Richiede tempi lunghi e investimenti ingenti, per lo sviluppo delle tecnologie e delle infrastrutture necessarie e per la graduale introduzione nel mercato Può essere attuato solo con un forte sostegno pubblico e nell ambito di ampie collaborazioni internazionali. MR/2009-5

Principali fattori che influiscono sullo sviluppo dell idrogeno e delle celle a combustibile Fattori tecnologici (disponibilità, prestazioni e costi delle diverse tecnologie necessarie per l intero ciclo dell idrogeno) Fattori politici e socio-economici (politiche per riduzione CO 2 e sicurezza approvvigionamenti, disponibilità delle risorse necessarie, prezzo dei combustibili e tassazione sugli stessi, informazione/educazione, standard e normative, ecc.) Sviluppo di tecnologie/combustibili alternativi (con migliori caratteristiche complessive a parità di costo) MR/2009-6

Principali barriere tecniche ed economiche Processi di produzione dell idrogeno sostenibili da un punto di vista ambientale ed economico Sistemi di accumulo dell idrogeno a bordo in grado di assicurare, a costi competitivi, caratteristiche funzionali analoghe a quelle dei veicoli convenzionali Infrastrutture diffuse per il trasporto e la distribuzione di idrogeno Celle a combustibile con caratteristiche competitive, in termini di costo, affidabilità e durata, per le diverse applicazioni, sia stazionarie che mobili MR/2009-7

Idrogeno e Celle a Combustibile Situazione internazionale UNIONE EUROPEA 7 Programma Quadro Fuel Cell and Hydrogen Joint Undertaking (FCH JU) Finanz. pubblico: 6FP (2002-2006) ~ 315 M FCH JU (2008-2013) ~ 470 M CANADA Hydrogen and Fuel Cell R,D&D Finanz. pubblico: ~ 25 M /anno GERMANIA National Innovation Program R&S idrogeno e celle a combustibile Finanz. pubblico: 2007-2016 ~ 700 M FRANCIA National Hydrogen and Fuel Cell Action Plan (PAN-H, 2006-2010) H2E Project (7 anni) ~ 68 M GIAPPONE Hydrogen and Fuel Cells R&D METI Program METI-NEF Sviluppo tecnologie di produzione, distribuzione ed accumulo H 2 production Dimostrazione sistemi a celle a combustibile per usi residenziali METI - JARI and ENAA Japan Hydrogen & Fuel Cell Demonstration Project Finanz. pubblico: METI (2001-2008) ~ 1800 M FY 2009 (richiesta) ~ 230 M USA DoE Hydrogen Program EERE Office - Hydrogen, Fuel Cells & Infrastructure Technologies Program Office of Fossil Energy - Hydrogen from Coal - Solid State Energy Conversion Alliance Program Office of Nuclear Energy - Nuclear Hydrogen Office of Science - Basic Research Needs for the Hydrogen Economy California Fuel Cell Partnership Finanz. pubblico: DoE FY 2009 ~ 210 M DoE (2004-2008) ~ 900 M Finanz. pubblico: 2008-35 M ITALIA FISR Program (2005-2009) - Tecnologie H 2 e celle a combustibile Programma Industria 2015 Finanz. pubblico: FISR (2005-2009) ~ 90 M Industria 2015 ~ 30 M REGNO UNITO Diversi progetti a livello nazionale e regionale Hydrogen, Fuel Cells and Carbon Abatement Technologies Demonstration Program (2007-2010) Finanz. pubblico: 2005-2007 ~ 39 M COREA Hydrogen and Fuel Cell RD&D (MOCIE, 2004-2008) 21st Frontier Hydrogen Energy R&D Program (MOST, 2003-2013) Finanz. Pubblico: MOCIE 420 M MOST 75 M CINA 863 Program (MOST) Idrogeno e celle a combustibile 973 Program (MOST) - Ricerca di base su H 2 e celle a combustibile NATIONAL RD&D ORGANIZATION for HYDROGEN AND FUELCELL Finanz. pubblico: 973 Program ~ 5 M (2000-2008) MR/2009-8

Linee principali d intervento ENEA IDROGENO Produzione da fonti fossili e rinnovabili, accumulo ed utilizzo CELLE A COMBUSTIBILE Celle ad elettrolita polimerico, a carbonati fusi e ad ossidi solidi Analisi di fattibilità delle tecnologie dell idrogeno e valutazioni tecnicoeconomiche in supporto a PA, industrie ed utenti MR/2009-9

Produzione idrogeno da rinnovabili Cicli termochimici alimentati da sistemi solari a concentrazione Processo iodio-zolfo Dimostrazione del funzionamento dell intero ciclo in un sistema integrato da laboratorio (10 NL/h di H 2 ) O 2 H 2 SO 4 H 2 O+ SO 2 + ½O 2 850 C SO 2 H 2 SO 4 Calore H 2 O 2H 2 O + SO 2 + I 2 H 2 SO 4 + 2HI I 2 HI 2HI H 2 + I 2 200 700 C Sviluppo forno solare 100 C Processo ferrite di manganese Sviluppo dei metodi di produzione delle ferriti e dei sistemi di supporto, per aumentare il numero di cicli Progetti TEPSI e Elioslab - Finanziamenti MIUR H 2 O H 2 700-1000 C MnFe 2 O 4, Na 2 CO 3 O 2 600-750 C Na(Mn 1/3 Fe 2/3 )O 2, CO 2 MR/2009-10

Produzione di idrogeno da fonti rinnovabili Biomasse Gassificazione di biomasse Produzione di un gas ricco di idrogeno e suo utilizzo in celle a combustibile ad alta temperatura Progetto TECSA - Finanziamenti MIUR Produzione con processi biologici (alghe, processi fermentativi) Selezione di batteri e processi Sviluppo di sistemi in scala laboratorio Collaborazione con l Università di Padova Progetto IDROBIO - Finanziamenti MIUR MR/2009-11

Produzione idrogeno da fonti fossili Gassificazione del carbone per produzione combinata di energia elettrica ed idrogeno Sistemi di produzione di idrogeno da diversi combustibili (NG, GPL) per celle ad elettrolita polimerico Solare termodinamico per reforming del metano con utilizzo di membrane innovative Progetti TEPSI e TECSA - Finanziamenti MIUR, Accordo di Programma MSE-ENEA MR/2009-12

Accumulo idrogeno Idruri metallici PRODUZIONE DA ENERGIA SOLARE Stabilizzazione di leghe idrurabili (LaNi 5 e FeTi) Sintesi e caratterizzazione di materiali compositi e nanocompositi (a base di Mg e MeAlH 4 ) R&S di processi per la produzione di idrogeno con sistemi solari a concentrazione Idruri chimici Processo zolfo-iodio Processo ferriti miste Studio di materiali e processi (NaBH 4 ) Progettazione e realizzazione di prototipi da laboratorio PRODUZIONE DA BIOMASSE Produzione di gas ricco in idrogeno, mediante impianto di gassificazione a letto fluido ricircolato Sviluppo processi biologici Finanziamenti MIUR - Progetti FISR Collaborazione con il Ministero della Difesa Ciclo integrato di produzione di idrogeno ed energia elettrica da carbone HYDROSTORE / Coordinatore Venezia Tecnologie ad emissioni zero Progetto in fase di avvio nel quadro del Programma Industria 2015 Studio e sviluppo di sistemi di accumulo (idruri metallici) H 2 Idruro metallico PRODUZIONE DA FONTI FOSSILI ED UTILIZZO IN CICLI TERMICI AVANZATI MR/2009-13

Utilizzo idrogeno Veicoli alimentati a idrogeno Progetto Irisbus / CRF-Iveco, GTT, Sapio, ENEA, CVA, Ansaldo Dimostrazione di un autobus ibrido a celle a combustibile Attività ENEA: Misure in campo per valutazione delle prestazioni energetiche ed ambientali del veicolo Progetto Neo / Microvett, Exergy Fuel Cells, Sapio, ENEA Sviluppo e dimostrazione di un veicolo commerciale alimentato a celle a combustibile Attività ENEA: Valutazione delle prestazioni energetiche ed ambientali del veicolo e sperimentazione finalizzata alla sua omologazione (C.R. di Brasimone) Realizzazione di una mini-rete a idrogeno presso il C.R.ENEA di Brasimone Progetto cofinanziato dalla Regione Emilia Romagna MR/2009-14

Utilizzo idrogeno Veicoli a miscele metano-idrogeno PRODUZIONE DA ENERGIA SOLARE R&S di processi per la produzione di idrogeno con sistemi solari a concentrazione Caratterizzato al banco un motore a combustione interna (IVECO Daily) alimentato con miscele a diverso contenuto di H 2 (sensibili benefici energetici e ambientali, anche con percentuali di H 2 del 10-15%). Processo zolfo-iodio Processo ferriti miste PRODUZIONE DA BIOMASSE Produzione di gas ricco in idrogeno, mediante impianto di gassificazione a letto fluido ricircolato Sviluppo processi biologici PRODUZIONE DA FONTI FOSSILI ED UTILIZZO IN CICLI TERMICI AVANZATI Sperimentazione di autobus (BredaMenarinibus) delle aziende di trasporto di Forlì e Ravenna, alimentati con miscele dal 5 al 25% di idrogeno. Valutazione della qualità delle emissioni, dei rendimenti e delle prestazioni del mezzo. Ciclo integrato di produzione di idrogeno ed energia elettrica da carbone ad emissioni zero MR/2009-15

Progetti Europei Progetto HyWays - 6PQ 2004-2007 Sviluppo di una roadmap dell idrogeno, con Definizione degli scenari di diffusione dell idrogeno a livello di singole regioni/nazioni e dell intera Unione Europea Identificazione dei provvedimenti e delle misure necessarie da parte dei soggetti chiave (Governi, imprese, società civile, ecc.) per permettere la transizione all idrogeno Promozione di un efficace cooperazione tra i soggetti interessati I FASE 6 Stati Membri II FASE 4 Stati Membri Progetto Prepar-H2 / in fase di avvio nel quadro della FCH-JU Preparing socio and economic evaluations of future H 2 lighthouse projects MR/2009-16

Celle a combustibile PRINCIPALI COLLABORAZIONI IN CORSO Istituti CNR (ex CESI Ricerca) Università Torino, Genova, Perugia, Roma, Cassino, Napoli, Salerno, etc PRINCIPALI PROGETTI Le attività sulle celle a combustibile, avviate agli inizi degli anni Ottanta, sono focalizzate allo sviluppo e dimostrazione di: Celle ad elettrolita polimerico per applicazioni stazionarie e per trasporto Celle a carbonati fusi e ad ossidi solidi per generazione distribuita Progetti nazionali Progetti FISR MIUR AdP MSE/ENEA Industria 2015 (MiCROGEN 30 ed EFESO in fase di avvio) Progetti Europei FCTES QA, FCTEDI e HySYS - 6PQ UE MCFC-CONTEX (FCH- JU, in fase di avvio) MR/2009-17

Progetto FISR (Fondo Integrativo Speciale per la Ricerca) 2005-2009 SVILUPPO DELLE TECNOLOGIE DELLE CELLE A COMBUSTIBILE E DEI SISTEMI PER LE LORO APPLICAZIONI Partner: Exergy Fuel Cells, Industrie De Nora ed Ansaldo Fuel Cells Durata: 54 mesi Costo totale: 10,8 M Obiettivi miglioramento della tecnologia della cella e dello stack, attraverso azioni di ricerca e sviluppo di materiali, componenti, processi di produzione, configurazione di cella, che consentano di superare i limiti attuali in termini di prestazioni e costi sviluppo di sistemi e sperimentazione degli stessi con diversi combustibili MR/2009-18

Progetto FISR Principali risultati ottenuti Celle ad elettrolita polimerico Sviluppati catalizzatori innovativi, nuove tecniche di preparazione di catalizzatori ed elettrodi e nuove membrane Sviluppate celle e piccoli stack con area superiore a 500 cm 2 Sviluppato un sistema di alimentazione di celle portatili basato su sodioboroidruro e realizzato un sistema da 1 kw alimentato a GPL Celle a carbonati fusi Sviluppati nuovi materiali e processi per i componenti porosi e metallici; Progettati e in fase di ultimazione un impianto sperimentale per la simulazione di sistemi cella/turbina un impianto integrato gassificazione di biomasse/stack da 125 kw MR/2009-19

Accordo di Programma MSE- ENEA su Ricerca di Sistema Area: Produzione e Fonti Energetiche CELLE A COMBUSTIBILE PER APPLICAZIONI STAZIONARIE COGENERATIVE Partner: FN ed vari istituti universitari Durata: 24 mesi Costo totale: I anno - 2,2 M II anno - 2 M (in fase di avvio) Obiettivi Contribuire alla messa a punto di sistemi di cogenerazione con celle a combustibile, alimentate anche da gas da biomasse, attraverso lo sviluppo di tecnologie e componenti Fornire supporto tecnico-scientifico alla PA MR/2009-20

AdP MSE Ricerca di Sistema Principali risultati ottenuti nel I anno Celle a carbonati fusi Celle ad elettrolita polimerico Sviluppato, in collaborazione con FN, un processo per la produzione di matrici per MCFC con tecnologie di formatura in plastico Avviato lo sviluppo di sistemi con MCFC alimentati a biogas (ottimizzazione dei processi di digestione anaerobica, studio dei processi di purificazione del biogas e dei meccanismi di avvelenamento in cella da parte delle impurezze, sviluppo di componenti più resistenti agli inquinanti) Collaborazioni: FN, Un. di Genova, Un. di Perugia, Un. di Roma La Sapienza, Un. di Napoli Federico II, Politecnico di Torino Caratterizzati in microreattore i catalizzatori per i diversi stadi del processo di riforma e purificazione dei combustibili Valutate nuove tecniche per la realizzazione dei componenti di cella Collaborazioni: Politecnico di Torino, Un. di Roma La Sapienza, Un. di Cassino, Un. di Napoli Federico II MR/2009-21

Progetti Europei FCTES QA QA - Definizione delle procedure e protocolli di prova di celle (6PQ 2006-2009) FCTEDI - Diffusione dei risultati del progetto FCTES QA e analisi di quanto è necessario fare a livello di normative, codici e standard per le celle a combustibile per usi stazionari (6PQ 2006-2009) HYSYS - Sviluppo componenti per veicoli ibridi a celle a combustibile (6PQ 2005-2009) MCFC CONTEX MCFC CONTEX - Studio dei meccanismi di degradazione della cella e dei sistemi di purificazione del gas (FCH JU / progetto in fase di avvio, durata 36 mesi) MR/2009-22

Celle a combustibile Programma Industria 2015 Progetti finanziati dal Ministero dello Sviluppo Economico, nell ambito dei Progetti di Innovazione Industriale per l Efficienza Energetica MICROGEN 30 / ICI Caldaie Sistema di microgenerazione con PEFC da 30 kw per applicazioni residenziali Finanziamento: circa 6 M Valore totale del Progettp: 15 M Durata: 3 anni Partecipanti ENEA, Politecnico di Milano, CNR- Istituto per la Tecnologia delle Membrane, S.C.A.M.E. Sistemi, SIEL, Exergy Fuel Cells, WTK, Siram, SEA, IRS, D'Appolonia MR/2009-23 EFESO / Merloni Termosanitari Microgeneratori 1-2.5 kw con SOFC Finanziamento: 10,9 M Valore totale dei progetti: 22,6 M Durata: 3 anni Partecipanti Acumentrics, Sofcpower, Enterpris, ERSE, FN, ENEA, Politecnico di Torino, Environment Park, General Impianti, Hysytech, STMicroelectronics, Proeng, Università Politecnica delle Marche, Università di Perugia

Collaborazioni internazionali International Partnership for Hydrogen Economy Implementing Agreements IEA (Idrogeno, Celle a Combustibile Avanzate, Veicoli Elettrici ed Ibridi) Fuel Cells & Hydrogen Joint Undertaking Fuel Cells & Hydrogen Joint Undertaking ENEA è membro della N.ERGHY New European Research Grouping on Fuel Cells and Hydrogen MR/2009-24

Conclusioni Idrogeno e celle a combustibile possono dare un contributo importante allo sviluppo di un sistema energetico sostenibile A livello internazionale è in atto uno sforzo notevole per lo sviluppo e l introduzione nel mercato delle diverse tecnologie, in una prospettiva che va dal breve termine (mercati di nicchia e sistemi di generazione distribuita/cogenerazione per le celle a combustibile) al lungo termine (veicoli a idrogeno) In Italia sono in corso programmi di sviluppo e dimostrazione, sia a livello nazionale che regionale, con un impegno dell ordine di 40-50M /anno, impegno che sarà difficile mantenere a breve-medio termine ENEA lavora da tempo nel settore, contribuendo allo sviluppo e dimostrazione di alcune tecnologie critiche con le sue competenze e le sue risorse strumentali, in collaborazione con altre strutture di ricerca e aziende, nell ambito di progetti nazionali ed europei MR/2009-25