Sviluppo energetico sostenibile L`idrogeno e le celle a combustibile

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Sviluppo energetico sostenibile
L’idrogeno e le celle a combustibile
Angelo Moreno e Francesco Di Mario
ENEA, IDROCOMB
([email protected], [email protected])
Forlì, 29 novembre 2002
IDROCOMB/MR/2002-1
SVILUPPO SOSTENIBILE
Sviluppo che assicura
il soddisfacimento dei bisogni delle attuali generazioni
senza compromettere
la possibilità delle generazioni future di soddisfare i loro.
Rapporto Brundtland, Commissione delle Nazioni
Unite per l’Ambiente e lo Sviluppo Globale -1987
IDROCOMB/MR/2002-2
Il problema delle emissioni di gas serra
X
Il principale responsabile dell’effetto serra è l’anidride carbonica.
X
All’inizio del secolo la CO2 nell’aria era pari a 290 parti per milione
(ppm) ora è circa 380 ppm
X
La combustione è il maggior responsabile delle emissioni di gas
serra (quasi l’80% in Italia)
X
Le previsioni dei consumi di energia per il prossimo secolo fanno
prevedere un continuo aumento delle emissioni di CO2 e della sua
concentrazione in atmosfera, a meno di sostanziali cambiamenti
del sistema energetico
IDROCOMB/MR/2002-3
Emissioni CO2 (Gt C/anno)
Emissioni CO2
A1
Stabilizzazione
a 550 ppm
AIFI – Fonti fossili
A1T – Fonti non fossili
A1B – Equilibrio fonti
fossili ed altre fonti
IS92a
Scenario “ business as
usual“(1992)
A1
A2
B1
B2
bassa
bassa
alta
intermedia
SVILUPPO
ECONOMICO
Alto paesi industrializzati,
alto PVS
Alto paesi industrializzat ,
medio PVS
basso PVS
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
CRESCITA
DEMOGRAFICA
IDROCOMB/MR/2002-4
Tendenza nell’uso dell’energia
Percento del mercato totale
100
Idrogeno
SOLIDI
Legno
80
60
GAS
CRESCITA
ECONOMICA
”NON
SOSTENIBILE”
40
Idrogeno “gas
di città”
20
CRESCITA
ECONOMICA
“SOSTENIBILE”
LIQUIDI
Carbone e
nucleare
Petrolio e
Idroelettr.
Metano
Petrolio e gas naturale
Olio di petrolio
Olio di
balena
Metano
0
1850
1900
1950
Consumi reali
Source: GHK Company
IDROCOMB/MR/2002-5
2000
2050
2100
2150
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 CO2 prodotta nella trasformazione dei
combustibili fossili e il confinamento della stessa
L’aumento del potenziale di assorbimento della CO2 da
parte dell’ecosistema
IDROCOMB/MR/2002-6
Perché l’idrogeno?
Riduzione dell’inquinamento locale e
globale (effetto serra)
Diversificazione delle fonti energetiche
Sviluppo sostenibile
IDROCOMB/MR/2002-7
Idrogeno
L’idrogeno rappresenta un componente chiave di un sistema
energetico sostenibile:
X
X
X
IDROCOMB/MR/2002-8
può essere prodotto da fonti fossili, con possibilità di ridurre l’impatto
ambientale globale attraverso la cattura ed il confinamento della CO2,
ma può essere prodotto anche da fonti rinnovabili o da energia
nucleare
non genera né CO2, né altri inquinanti durante il suo utilizzo
trova uso in una moltitudine di applicazioni (usi stazionari, portatili e
trasporto)
Visione idrogeno
Solare termico
Impianto eolico
Biomasse
H2
Impianto
fotovoltaico
Centrale elettrica
Impianto di produzione H2
H2
CO2
Celle a combustibile
Stazione di
servizio
Gas naturale
Giacimento esaurito
IDROCOMB/MR/2002-9
Acquifero salino
Fossili
Produzione idrogeno
Rinnovabili
U235
Th232
U238
Petrolio
Reforming
Gas naturale
Reforming
Carbone
Gassificazione
Nucleare
Processi
termochimici
Eolico, PV
Elettrolisi
Solare
Processi
termochimici
Biomasse
Gassificazione
CO2
IDROGENO
CO2
Confinamento CO2
IDROCOMB/MR/2002-10
Separazione CO2
Occorre valutare le
diverse soluzioni
possibili per il sequestro
della CO2, con particolare
riferimento al
confinamento geologico
in acquiferi salini e
giacimenti esauriti di
metano o petrolio.
Stoccaggio
sotterraneo
Sequestro
negli oceani
Fotosintesi mirata
alla CO2
Produzione
prodotti
avanzati
IDROCOMB/MR/2002-11
Uso industriale
Cattura
dall’atmosfera
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
Distribuzione in forma gassosa
Trasporto su strada
Idrogenodotti
Distribuzione in forma liquida
IDROCOMB/MR/2002-12
Stoccaggio
Accumulo in forma gassosa
Idrogeno in bombole ad alta pressione in
materiale composito
Accumulo in forma liquida
Idrogeno in serbatoi criogenici
Accumulo “chimico”
Idruri metallici
Nanostrutture di carbonio
Nanofibre
Nanotubi
IDROCOMB/MR/2002-13
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
IDROCOMB/MR/2002-14
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)
IDROCOMB/MR/2002-15
Utilizzo dell’idrogeno
Usi industriali
Sistemi di generazione stazionaria
Turbine
Sistemi per trasporto
Motori a combustione interna
IDROCOMB/MR/2002-16
Idrogeno e celle a combustibile
Penetrazione della tecnologia
2000
2005
2010
2015
Usi residenziali
Flotte pubbliche
Generaz.di potenza distribuita
Trasporto privato
IDROCOMB/MR/2002-17
2020
CELLE A COMBUSTIBILE
IDROCOMB/MR/2002-18
CO2, CO, NOx, SOx Calore
SISTEMA TRADIZIONALE
E’ un dispositivo
elettrochimico che converte
direttamente l’energia di un
combustibile in elettricità e
calore, senza passare
attraverso cicli termici e
quindi senza risentire delle
limitazioni imposte a questi
ultimi dalla termodinamica
(Carnot).
COMBUSTIBILE
MOTORE
Energia
chimica
Energia
meccanica
Energia
elettrica
SISTEMA CON CELLA A COMBUSTIBILE
H2O
CO2
Aria
Calore
COMBUSTIBILE
SISTEMA DI TRATTAMENTO
COMBUSTIBILE
Energia
chimica
IDROCOMB/MR/2002-19
GENERATORE
CELLA A
COMBUSTIBILE
Energia
elettrica
CELLE A COMBUSTIBILE/IMPIANTI CONVENZIONALI
Confronto efficienze
80
70
SOFC-GT
Efficienza, %
60
MCFC, SOFC
Turbine a ciclo combinato
50
PAFC
PEFC
40
30
Turbine avanzate
ICE
Microturbine
Diesel
20
Impianti a
vapore
Motori a gas
10
0
0,1
1
10
100
Potenza impianto, MW
IDROCOMB/MR/2002-20
1000
Confronto emissioni di impianti di diversa tecnologia
1400
2400
1200
CO2 (g/kWh)
NOx (mg/kWh)
1000
SO2 (mg/kWh)
Polveri (mg/kWh)
800
Idrocarburi (mg/kWh)
600
400
200
0
IDROCOMB/MR/2002-21
Impianti a
carbone
Impianti a
petrolio
Impianti a
gas
Impianti con celle a
combustibile
Schema cella
Gli elettrodi fungono da siti catalitici
Anodo
Catodo
per le reazioni di cella che
consumano fondamentalmente
idrogeno ed ossigeno, con
IDROGENO
H2
produzione di acqua e passaggio di
corrente elettrica nel circuito esterno.
e-
H2
O2
H+
H+
ee-
H2
H2
H+
ee-
ARIA
e-
H+
O2
ee-
O2
e-
H2O
e-
ACQUA
H2O
Elettrolita
L’elettrolita ha la funzione di condurre gli ioni prodotti
da una reazione e consumati dall’altra, chiudendo il
circuito elettrico all’interno della cella. La
trasformazione elettrochimica è accompagnata da
liberazione di calore
H2 + ½ O2 → H2O + elettricità + calore
IDROCOMB/MR/2002-22
Schema di uno stack
PIATTO BIPOLARE
CATODO
ELETTROLITA
ANODO
Singol
a cella
IDROCOMB/MR/2002-23
PIATTO BIPOLARE
Esempi di stack
Ballard Power System
ROEN EST
General Motors
UTC Fuel Cells
ANSALDO
Ansaldo Fuel Cells SpA
IDROCOMB/MR/2002-24
Caratteristiche generali dei sistemi
con celle a combustibile
X
X
X
Elevata efficienza di conversione
Rendimento quasi indipendente dal
carico e dalla taglia dell'impianto
Impatto ambientale ridotto, con
emissioni trascurabili, rumorosità
bassa
X
Modularità
X
Facilità di localizzazione
X
X
Flessibilità nell'uso dei combustibili di
partenza
Rapida risposta al variare del carico
IDROCOMB/MR/2002-25
ANSALDO
Ansaldo Fuel Cells SpA
Le diverse tecnologie di celle a combustibile
Esistono diverse tecnologie di cella, che:
X
utilizzano diversi elettroliti
X
hanno diverse caratteristiche operative, che le rendono adatte
per diverse applicazioni
X
hanno differente grado di maturità tecnologica.
IDROCOMB/MR/2002-26
Tipi di celle a combustibile
Celle ad elettrolita polimerico PEFC

Temperatura: 70-100 °C
Efficienza: 40%
Stato tecnologia: 1-500 kW
Mercati: Trasporto
Residenziale
Premium power
Generazione remota
Celle a carbonati fusi MCFC
Efficienza: 45-55%
Stato della tecnologia: 100 kW - 3 MW
Impianti < 20 MW
Mercati: Cogenerazione commerciale
Generazione distribuita
IDROCOMB/MR/2002-27
Celle ad acido fosforico PAFC
Efficienza: 40-50%
Stato della tecnologia: 50 kW -1 MW
Impianti < 11 MW
Celle a d ossidi solidi SOFC
Temperatura: 800-1000°C
Efficienza: 45 - 60%
Stato della tecnologia: 50 kW - 1 MW
Impianti < 20 MW
Trasporto (APU)
Tipi di celle a combustibile
Celle a metanolo diretto DMFC

Efficienza: 30-40%
Stato tecnologia: < 1kW
Mercati: Generazione portatile
Elettronica di consumo
Unità da 25 W - Smart Fuel Cells
Stack DMFC 80 W
LANL
Cella DMFC - MTI
Celle alcaline

Taxi ZeVco (1998)
Unità da 4 kW-Astris
IDROCOMB/MR/2002-28
AFC
Temperatura: < 100 °C
Efficienza: 60%
Stato tecnologia: 5-150 kW
Mercati: Usi speciali (militari, spaziali)
Trasporto
Applicazioni delle celle a combustibile
TRASPORTO 5-200 kW
APPLICAZIONI ISOLATE 0.5-10 kW
PEFC
PEFC
SOFC
SOFC
COGENERAZIONE INDUSTRIALE 250 kW - 3 MW
POTENZA RESIDENZIALE 1-10 kW
PEFC
MCFC
PAFC
SOFC
COGENERAZIONE COMMERCIALE E
RESIDENZIALE 50 - 250 kW
GENERAZIONE DISTRIBUITA < 20 MW
FC
PEFC
IDROCOMB/MR/2002-29
PAFC
MCFC
SOFC
Situazione internazionale
STATI UNITI
X
Programmi DoE / Office of Energy and Renewable Energy - Sviluppo di sistemi per
generazione distribuita (Budget 2002/2003: ~58/47 M$) e tecnologie idrogeno.
X
Programma FreedomCAR - Budget 2003: ~150 M$ (di cui 50 M$ sulle celle)
Sviluppo di sistemi di propulsione con celle a combustibile
X Sviluppo di veicoli ad alta efficienza, con combustibili "puliti“, con celle a
combustibile e con motori a combustione interna.
X
X
California Fuel Cell Partnership – Promuovere la commercializzazione di veicoli con
celle a combustibile (Dimostrazione su strada su di oltre 70 veicoli entro il 2003).
GIAPPONE
X Programma
METI/NEDO - Sviluppo di celle a combustibile per il settore residenziale e
per trasporto. Budget 2001: ~90 M$
X Programma WE-NET- Sviluppo, entro il 2020, delle tecnologie necessarie
all’avvio di un sistema energetico basato sull’idrogeno da fonti rinnovabili.
X Japan
IDROCOMB/MR/2002-30
Hydrogen & Fuel Cell Demonstration Project (2002-2005) in fase di avvio.
Situazione internazionale
EUROPA
X
VI Programma Quadro EU
Sistemi energetici sostenibili - Sviluppo di celle a combustibile e
delle loro applicazioni (Tot. finanziamenti 810 M€)
X Trasporti di superficie sostenibile - Nuovi concetti e tecnologie per
il trasporto di superficie (Tot. finanziamenti 610 M€)
Obiettivi nel medio-lungo termine :
X riduzione dei costi nel trasporto (50 €/kW), nelle applicazioni residenziali e nella
generazione distribuita di energia elettrica (300 €/kW)
X sviluppo di materiali avanzati per celle a bassa ed alta temperatura
X
X
Clean Urban Transport for Europe Project (Trasporto) – Dimostrazione di veicoli
con celle a combustibile e sviluppo delle infrastrutture necessarie.
Tutti i principali costruttori automobilistici stanno impegnando notevoli risorse in
attività di R&S di veicoli alimentati con celle a combustibile ad elettrolita polimerico
IDROCOMB/MR/2002-31
Applicazioni stazionarie – Esempi di alcune realizzazioni
GENERAZIONE
GENERAZIONE
PORTATILE
PORTATILE
GENERAZIONE RESIDENZIALE
Ballard – Modulo Nexa,
PEFC 1,2 kW
COGENERAZIONE
COGENERAZIONE COMMERCIALE
COMMERCIALE
EE RESIDENZIALE
RESIDENZIALE
General Motors - PEFC 5 kW
Nuvera Fuel Cells PEFC 1 kW
Sulzer-Hexis SOFC 1 kW
Vaillant/Plug Power
MTU Friedrichshafen/FuelCells Energy
Impianto MCFC da 300 kW
IDROCOMB/MR/2002-32
- PEFC 4,5 kW
Veicoli a idrogeno
Motori a combustione interna
Veicoli a celle a combustibile
Propulsori di tipo combinato ICE + cella a combustibile per gli
ausiliari
IDROCOMB/MR/2002-33
Veicoli con celle a combustibile
OPEL
F-Cell
FCX-V4
Santa Fe
IDROCOMB/MR/2002-34
Focus FCV
Bora HyMotion
Xterra
Citaro
HydroGen
FCHV 4
FC Cab
Hino Bus
CENTRO
RICERCHE
FIAT
Irisbus
GM Hy-wire - L’auto del futuro
CONNESSIONE UNIVERSALE
Connette il telaio con i sistemi di guida
elettronici nell’abitacolo
PARAURTI
POSTERIORE
SISTEMA DI CONTROLLO
AGGANCI MECCANICI
Fissano il telaio all’abitacolo
RADIATORI
LATERALI
SISTEMA FC
(stack e serbatoi H2)
MOTORI
ELETTRICI
IDROCOMB/MR/2002-35
PARAURTI
ANTERIORE
Applicazioni delle celle a combustibile come unita’ di potenza
ausiliaria
Tipo
cella
Potenza
(kW)
Combustibile
DaimlerChrysler/Ballard
3
Idrogeno
BMW /international Fuel
Cells
5
Idrogeno
BMW / Delphi / Global
Thermoelectric
5
Partner progetto
Tipo di
veicolo
Mercedes classe S
SPFC
SOFC
IDROCOMB/MR/2002-36
BMW Serie 700
Idrogeno liq.
BMW Serie
700
Celle a elettrolita polimerico - Situazione industriale in Italia
Nuvera Fuel Cells Europe
X
unità portatili da 1 kW (generazione
remota, applicazioni militari, ecc.)
X
unità 1-5 kW per usi residenziali
X
sistemi fino a 50 kW per edifici
commerciali
NFCE - Sistema
da 1 kW idrogeno NFCE - Sistema da 5 kW - gas naturale
Roen Est
Sviluppo di generatori portatili e per usi residenziali
X Primo prototipo con tecnologia innovativa, 1-5 kW
(2002) in collaborazione con ENEA
IDROCOMB/MR/2002-37
Celle a carbonati fusi – Situazione industriale in Italia
Ansaldo Fuel Cells

Impianto di cogerazione da 100 kW, 1999
In collaborazione con ENEA, FN, CESI, CNR-ITAE, Università e con le società spagnole
Iberdrola ed Endesa

Dimostrazione impianti dimostrativi di potenza 125-500 kW (“Serie 500”), 19992004
1a fase del Programma
2a fase del Programma
INDUSTRIE
R&D
Ansaldo
FN
BDT
BWE
Kemira
Impianto sperimentale da 100 kW
“proof-of-concept” - (CESI, Segrate,
MI)
IDROCOMB/MR/2002-38
ENEA
CNR
Università
END USERS
ENEL-CESI-AEM-Sotacarbo-AMGEndesa-Iberdrola
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"
IDROCOMB/MR/2002-39
Situazione R&D
ENEA
X
X
X
Sviluppo di materiali e componenti per PEFC e MCFC
Sviluppo e sperimentazione di stack e sistemi con PEFC
Collaborazioni con industrie e utenti per lo sviluppo e dimostrazione di sistemi per
applicazioni stazionarie e per trazione
CNR-ITAE
X
X
Sviluppo di materiali e componenti per PEFC, DMFC, MCFC e SOFC
Sviluppo e sperimentazione di stack e sistemi in collaborazione con l’industria
CNR-IM
X
Sviluppo di sistemi per trazione
ENITECNOLOGIE
X
Sviluppo materiali e componenti SOFC
UNIVERSITÀ DI GENOVA, ROMA, TORINO E POLITECNICO DI MILANO
X
Sviluppo di materiali e componenti per PEFC (catalizzatori, membrane) ed attività di
modellistica.
IDROCOMB/MR/2002-40
Aree di ricerca e sviluppo
Nonostante i notevoli progressi compiuti a livello mondiale
occorrono ancora azioni di R&S nelle seguenti aree:
X
X
Materiali (catalizzatori, componenti di cella e di stack)
Prestazioni (densità di potenza, bassa pressione, resistenza agli
inquinanti, partenza a freddo, ecc.)
X
X
Affidabilità e durata
Semplificazione dei sistemi (ottimizzazione componenti e
variabili di processo, sistemi di controllo)
X
Costi
IDROCOMB/MR/2002-41
Conclusioni
X
Le celle a combustibile hanno raggiunto uno stato di sviluppo tale da far
prevedere, per alcune tecnologie, la disponibilità di prodotti commerciali nel brevemedio termine, per applicazioni sia stazionarie che di trazione
X
I combustibili utilizzati sono diversi (prevalentemente gas naturale per i sistemi
stazionari, idrogeno/metanolo/benzine per la trazione), anche se il combustibile
ideale per le celle è l’idrogeno
X
L’idrogeno può dare anche in Italia un contributo importante allo sviluppo, nel
medio-lungo termine, di un sistema energetico sostenibile
X
La disponibilità dell’idrogeno consentirà, in prospettiva, di sfruttare a pieno le
potenzialità energetiche e ambientali delle celle a combustibile; al tempo stesso, le
celle rappresentano un elemento essenziale per lo sviluppo nel lungo termine
dell’idrogeno come vettore energetico
IDROCOMB/MR/2002-42
Ulteriori informazioni possono essere tratte dal
documento
“Celle a combustibile”. Stato di sviluppo e
prospettive della tecnologia.
disponibile sul sito ENEA all’indirizzo:
www.enea.it/com/web/pubblicazioni/CellComb.p
df
IDROCOMB/MR/2002-43