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Il ruolo della cogenerazione alimentata a idrogeno
Il ruolo dell'idrogeno nell'evoluzione delle infrastrutture energetiche e per la cogenerazione
Stefano Campanari - Politecnico di Milano
Sommario
Idrogeno: premessa e contesto, motivazioni:
- Produzione H2e ruolo di 'Hub energetico';
- A EU cleanhydrogenpolicy.
Utilizzi e potenzialità dell'idrogeno :
- L'accumulo energetico e il << sectorcoupling >> con i settori power, trasporti, industria, residenziale;
- Focus su applicazioni cogenerazione.
Premessa: cosa è l'idrogeno
- L'idrogeno, nella forma più utile ai fini energetici, è una molecola costituita da due atomi H, H2;
- H2 come tale è tuttavia raro sulla Terra: l'atomo H si trova invece prevalentemente combinato chimicamente con altri elementi (es. acqua, H2O o idrocarburi CnHm, alcoli ecc.);
- L'idrogeno deve quindi essere 'estratto' da acqua, idrocarburi o altre sostanze, per poi essere utilizzato. La sua produzione richiede energia. Non è quindi una fonte energetica ma un 'vettore energetico', di per sé pulito (come l'energia elettrica).
- E' un gas molto leggero, che si usa comprimere fino a 200-700 bar per avere densità adeguata al trasporto e immagazzinamento. Può essere liquefatto a T molto bassa (sotto ai -240°C, con densità ?70 kg/m3);
- E' incolore e inodore; è un combustibile con alto potere calorifico per kg (ma basso per m3, avendo bassa densità), facilmente infiammabile;
- Oggi prodotto prevalentemente da gas naturale (CH4) per usi in processi chimici, es. produzione ammoniaca per fertilizzanti, utilizzo nella raffinazione degli idrocarburi, metallurgia ed altri processi industriali.
Produzione H2 - metodi consolidati
Steam reforming di gas naturale / processi di gassificazione
- Da fuels fossili è detto << grey hydrogen >>;
- Con cattura CO2: << blue hydrogen >>;
- Da biomasse (o da frazione bio dei rifiuti): << green hydrogen >>.
Le << colorazioni formali >> dell'idrogeno includono anche turquoise (da pirolisi di metano con separazione di C solido), pink (da nucleare).
Elettrolisi dell'acqua, con consumo di energia elettrica
- Con elettricità da rinnovabili (<< green hydrogen >>);
- Opportunità di << Sector Coupling >> negli scenari ad alta penetrazione RES e uso della sovrapproduzione elettrica;
- Forte riduzione di costi ed aumento di efficienza (?70%, in crescita; opzioni SOEC con rendimento 80-90%) negli ultimi anni;
- Primi annunci di progetti GW-scale (es. NEOM, Saudi Arabia, 2 GW electrolysis by 2025-2030).
L' << energy transition >> verso l'idrogeno da rinnovabili
- Nella transizione energetica verso le rinnovabili si prevede ruolo congiunto di "blue hydrogen" e "green hydrogen";
- Il blue hydrogen può essere prodotto con tecnologie note e consolidate;
- La CO2 catturata può essere riutilizzata (in parte) o inviata in particolare a stoccaggio sotterraneo geologico (es. giacimenti
esauriti, formazioni geologiche profonde);
- Vari esempi già dimostrati da progetti industriali su grande scala (EU, USA, Australia....).
Energy system integration o << sector coupling >>
L'idrogeno svolge ruolo di << hub >> energetico e permette l'accoppiamento dei diversi settori energetici (<< sector coupling >>) consentendo risparmi energetici, di emissioni di inquinanti e di CO2.
L'idrogeno consente la decarbonizzazione di settori << hard to abate >> ed applicazioni diverse (parte dei trasporti stradali, processi industriali, settore marittimo, aviation...).
Motivazioni: la produzione H2 si accorda con le esigenze di accumulo energetico
- La UE e l'Italia hanno grandi potenzialità di sviluppo fotovoltaico (ed eolico), che comportano in prospettiva necessità di grandi capacità di accumulo sia giornaliero che stagionale:
. Il profilo di produzione FV (ma anche wind) ha grandi oscillazioni stagionali;
. Scenari per l'Italia per una piena decarbonizzazione prevedono un fortissimo sviluppo di FV (es. 10x attuale ed oltre) ed eolico.
- L'accumulo energetico con H2 è più competitivo di altre opzioni per accumuli su lunghi periodi e di grande scala (decine di TWh);
- Analisi di evoluzione del mix di power generation verso la piena decarbonizzazione e della corrispondente domanda elettrica dei vari settori consentono di stimare ora per ora la potenziale disponibilità di H2 elettrolisi con energia rinnovabile ('power to hydrogen');
- Oltre 1500 kt H2/year disponibili nel long-term, con una capacità "power-to-H2" di?45 GW (*);
- Importanza delle tecnologie di trasporto e stoccaggio.
- H2 come tale è tuttavia raro sulla Terra: l'atomo H si trova invece prevalentemente combinato chimicamente con altri elementi (es. acqua, H2O o idrocarburi CnHm, alcoli ecc.);
- L'idrogeno deve quindi essere 'estratto' da acqua, idrocarburi o altre sostanze, per poi essere utilizzato. La sua produzione richiede energia. Non è quindi una fonte energetica ma un 'vettore energetico', di per sé pulito (come l'energia elettrica).
- E' un gas molto leggero, che si usa comprimere fino a 200-700 bar per avere densità adeguata al trasporto e immagazzinamento. Può essere liquefatto a T molto bassa (sotto ai -240°C, con densità ?70 kg/m3);
- E' incolore e inodore; è un combustibile con alto potere calorifico per kg (ma basso per m3, avendo bassa densità), facilmente infiammabile;
- Oggi prodotto prevalentemente da gas naturale (CH4) per usi in processi chimici, es. produzione ammoniaca per fertilizzanti, utilizzo nella raffinazione degli idrocarburi, metallurgia ed altri processi industriali.
Produzione H2 - metodi consolidati
Steam reforming di gas naturale / processi di gassificazione
- Da fuels fossili è detto << grey hydrogen >>;
- Con cattura CO2: << blue hydrogen >>;
- Da biomasse (o da frazione bio dei rifiuti): << green hydrogen >>.
Le << colorazioni formali >> dell'idrogeno includono anche turquoise (da pirolisi di metano con separazione di C solido), pink (da nucleare).
Elettrolisi dell'acqua, con consumo di energia elettrica
- Con elettricità da rinnovabili (<< green hydrogen >>);
- Opportunità di << Sector Coupling >> negli scenari ad alta penetrazione RES e uso della sovrapproduzione elettrica;
- Forte riduzione di costi ed aumento di efficienza (?70%, in crescita; opzioni SOEC con rendimento 80-90%) negli ultimi anni;
- Primi annunci di progetti GW-scale (es. NEOM, Saudi Arabia, 2 GW electrolysis by 2025-2030).
L' << energy transition >> verso l'idrogeno da rinnovabili
- Nella transizione energetica verso le rinnovabili si prevede ruolo congiunto di "blue hydrogen" e "green hydrogen";
- Il blue hydrogen può essere prodotto con tecnologie note e consolidate;
- La CO2 catturata può essere riutilizzata (in parte) o inviata in particolare a stoccaggio sotterraneo geologico (es. giacimenti
esauriti, formazioni geologiche profonde);
- Vari esempi già dimostrati da progetti industriali su grande scala (EU, USA, Australia....).
Energy system integration o << sector coupling >>
L'idrogeno svolge ruolo di << hub >> energetico e permette l'accoppiamento dei diversi settori energetici (<< sector coupling >>) consentendo risparmi energetici, di emissioni di inquinanti e di CO2.
L'idrogeno consente la decarbonizzazione di settori << hard to abate >> ed applicazioni diverse (parte dei trasporti stradali, processi industriali, settore marittimo, aviation...).
Motivazioni: la produzione H2 si accorda con le esigenze di accumulo energetico
- La UE e l'Italia hanno grandi potenzialità di sviluppo fotovoltaico (ed eolico), che comportano in prospettiva necessità di grandi capacità di accumulo sia giornaliero che stagionale:
. Il profilo di produzione FV (ma anche wind) ha grandi oscillazioni stagionali;
. Scenari per l'Italia per una piena decarbonizzazione prevedono un fortissimo sviluppo di FV (es. 10x attuale ed oltre) ed eolico.
- L'accumulo energetico con H2 è più competitivo di altre opzioni per accumuli su lunghi periodi e di grande scala (decine di TWh);
- Analisi di evoluzione del mix di power generation verso la piena decarbonizzazione e della corrispondente domanda elettrica dei vari settori consentono di stimare ora per ora la potenziale disponibilità di H2 elettrolisi con energia rinnovabile ('power to hydrogen');
- Oltre 1500 kt H2/year disponibili nel long-term, con una capacità "power-to-H2" di?45 GW (*);
- Importanza delle tecnologie di trasporto e stoccaggio.
Video
Idrogeno come Energy Hub
L'idrogeno permette il collegamento di diversi settori (<< sector coupling >>) con potenziali effetti positivi di flessibilità, costi energetici ed emissioni.
Drivers
1) Evoluzione della mobilità verso emissioni locali zero e (potenzialmente) zero emissioni globali: veicoli elettrici plug-in, a batteria, a fuel cell;
2) Usi industriali altrimenti non decarbonizzabili;
3) Cogenerazione e micro-CHP distribuita;
3) Prospettive di large scale energy storage.
Tra i settori di uso finale vi è la power (co)generation di varie tipologie
- Large-scale power generation & grid support con turbine a gas, cicli combinati;
- Small scale power generation & CHP:
. Internal combustion engines;
. Fuel cells.
- La domanda di idrogeno (oggi 8-10 EJ, equivalente a 100 Mton di petrolio) è stimata in forte crescita.
Sono molto diffuse le proposte di cogenerazione a fuel cell a NG o NG+H2
- Tra i vari tipi di proposte per cogenerazione a fuel cell, fin qui centrate soprattutto sull'uso del gas naturale, sia le
soluzioni a bassa temperatura (es. PEM) che ad alta temperatura (es. SOFC) sono in vario modo adatte - con adattamenti
già sperimentati - all'uso di miscele NG/H2 e/o in prospettiva all'uso diretto dell'idrogeno;
- Il recupero di calore avviene prevalentemente con produzione di acqua calda (T<60°C per PEM, <90°C per le altre
tecnologie, possibilità produzione vapore a bassa pressione per MCFC/SOFC).
Uso prospettico di H2, in eventuale miscela con NG, per TG / CC
Simulazioni sull'evoluzione dell'infrastruttura energetica Italiana nel lungo termine (2050, scenari di forte/piena decarbonizzazione) mostrano come la produzione H2 possa essere impiegata anche per coprire dal 20% al 100% del
fabbisogno dei cicli combinati (assumendo la stessa potenzialità odierna), a seconda delle regioni e del bilancio locale tra produzione RES e consumi; il massimo viene raggiunto nelle regioni del Centro-Sud.
Conclusioni
Motori a c.i. a H2 per cogenerazione
- Quasi tutti i costruttori di motori a c.i. per generazione elettrica stazionaria e cogenerazione hanno sperimentato unità
dimostrative che utilizzano come combustibile miscele NG-H2 (oggi proposti per funzionamento al 10-25% H2) o per il
funzionamento al 100% H2, e si avviano a proporre questo tipo di soluzione su base pienamente commerciale (esempi:
Innio-Jenbacher; Wartsila; Caterpillar; RR-MTU; 2G);
- Precedente esperienza già accumulata in settori quali la combustione di syngas (es. Jenbacher dichiara 250 MW
cumulativi di unità alimentate fino al 70% H2 con syngas da cokeria, da processi chimici, da waste gasification);
- R&D parallela nel campo dei motori a H2 per uso automotive, in particolare per trasporto pesante (es. AVL, Cummins,
Ricardo), con alimentazione 100%H2 ; tecnologia complementare alle fuel cell a idrogeno, ai veicoli a batteria ed ai
powertrain a bio-NG e biofuels;
- Vantaggi potenziali di costo, affidabilità e robustezza (es. impieghi 'heavy duty').
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Fonte: mcTER Cogenerazione - Verona ottobre 2021 Applicazioni di cogenerazione: opportunità e strumenti per la transizione energetica
Settori: Cogenerazione, Combustibili, Efficienza energetica industriale, Energia, Energia Elettrica, Energy storage, GAS, Idrogeno, Rinnovabili
Mercati: Aria e Gas
