Idrogeno, celle a combustibile e sistemi di accumulo dell’energia
Le attività condotte dall’ENEA in questo campo si pongono l’obiettivo generale di contribuire allo sviluppo di vettori energetici e sistemi elettrochimici per la conversione e l’accumulo dell’energia in grado di ridurre i consumi e le emissioni nei settori della generazione distribuita e dei trasporti, favorendo l’impiego negli stessi delle fonti rinnovabili.
Le principali linee di ricerca e sviluppo riguardano:
Idrogeno
- sviluppo di processi per la produzione di idrogeno, sia da fonti rinnovabili (cicli termochimici alimentati da energia solare, gassificazione delle biomasse, processi biologici), che da combustibili fossili (metano, GPL, per applicazioni di piccola taglia e con sistemi alimentati da energia solare);
- studi di materiali e processi per l’accumulo dell’idrogeno.
Celle a combustibile
- sviluppo di materiali e componenti per diverse tipologie di cella (ad elettrolita polimerico, a carbonati fusi, ad ossidi solidi);
- sviluppo e sperimentazione di sistemi di generazione/cogenerazione di piccola taglia, alimentati sia a gas naturale che con combustibili derivanti dalla gassificazione delle biomasse e da digestione anaerobica.
Accumulo elettrico
- sviluppo di nuovi materiali e componenti per sistemi di accumulo elettrochimico, come batterie al litio e supercondensatori;
- caratterizzazione e sperimentazione di sistemi di accumulo per applicazioni mobili e stazionarie.
Per lo svolgimento di queste attività l’ENEA si avvale di circa 50 ricercatori e tecnici, di infrastrutture sperimentali specifiche (impianti e laboratori) presso i Centri Di Ricerca di Casaccia e Trisaia e di una rete di collaborazioni con strutture industriali e di ricerca sia nazionali che europee.
Nella partita sull’idrogeno che vede governo italiano e istituzioni europee in prima fila giunge anche il brevetto Enea che ha individuato un nuovo modo di produrre idrogeno ed ossigeno, attraverso la decomposizione termica dell’acqua realizzata con l’energia solare. Ci siamo fatti raccontare dettagli e sviluppi
Dopo il lancio a novembre delle linee guida per la strategia nazionale sull’idrogeno, il ministero dello Sviluppo Economico dovrebbe diffondere a febbraio il nuovo documento che raccoglie e integra le numerose osservazioni giunte da parte di stakeholder e addetti ai lavori.
Mentre, in parallelo, il ministero dell’Università e della Ricerca ha elaborato le proprie linee guida per la ricerca. E intanto l’idrogeno ha già assunto un ruolo chiave anche nel Recovery Plan, attualmente all’esame del Parlamento. In questo quadro, corroborato da una forte spinta da parte dell’Unione Europea, si inserisce anche il recente brevetto Enea, che ha individuato un nuovo modo di produrre idrogeno ed ossigeno attraverso la decomposizione termica dell’acqua realizzata con l’energia solare.
L’idrogeno può essere prodotto attraverso l’elettrolisi dell’acqua, un processo privo di emissioni, che richiede grandi quantità di energia elettrica; l’idrogeno verde, l’unico totalmente pulito, si ottiene quando l’energia elettrica utilizzata è quella rinnovabile. Dal punto di vista della sostenibilità ambientale non si discute quale sia la scelta migliore da perseguire, tra idrogeno verde e idrogeno grigio; ma in effetti quello verde è oggi economicamente non conveniente rispetto a quello grigio prodotto da combustibili fossili, attraverso i tradizionali processi di reforming.
Il nuovo brevetto Enea, pur mantenendo la sostenibilità – per produrre l’idrogeno si utilizza acqua e una fonte rinnovabile di energia – potrebbe ridurre la complessità del processo e favorire un potenziale contenimento dei costi dell’intero sistema. Ciononostante, il nuovo processo di produzione dell’idrogeno, oggetto del brevetto, è attualmente a uno stadio di sviluppo concettuale con test condotti a livello di laboratorio; solo le successive fasi di sviluppo tecnologico potranno fornire indicazioni più chiare sulla sua economicità.
La caratteristica principale del nuovo processo è quello di utilizzare in maniera diretta l’energia solare per scindere la molecola dell’acqua in idrogeno ed ossigeno. La radiazione solare viene concentrata su un dispositivo innovativo, un reattore a membrana in grado di separare selettivamente le due correnti gassose di idrogeno e ossigeno, con una conversione di reazione stimata di circa il 20% a 1900 °C: ciò significa che a questa temperatura circa il 20% delle molecole d’acqua reagiscono per produrre idrogeno e ossigeno. Nel processo di elettrolisi invece la resa energetica stimata è di circa il 10%, valore calcolato combinando un rendimento del 20% per i pannelli fotovoltaici e del 50% per gli elettrolizzatori. L’applicazione del nuovo processo permette potenzialmente di raggiungere rese più elevate nell’utilizzo dell’energia solare e di ridurre la complessità degli impianti trattandosi di un processo “diretto”.
Tra le principali iniziative del Governo Italiano è certamente da citare l’adesione a Mission Innovation e in particolare alla Challenge IC#8 “Renewable and Clean Hydrogen”, che, attraverso un’azione di collaborazione e coordinamento a livello internazionale, si pone l’obiettivo di contribuire allo sviluppo di un mercato globale dell’idrogeno mediante il coinvolgimento attivo degli stakeholder pubblici e privati operanti nella catena del valore dell’idrogeno, per il superamento delle barriere tecnologiche, normative e regolatorie.
Anche il nuovo processo di produzione di idrogeno verde oggetto del brevetto, attualmente studiato a livello di laboratorio, una volta arrivato alla fase di sviluppo tecnologico, potrà essere integrato nell’ecosistema idrogeno realizzato presso il centro ricerche Casaccia.
Uno dei vantaggi principali di questo processo, come già detto, consiste nell’operare direttamente la conversione dell’acqua in idrogeno e ossigeno, senza passaggi intermedi e quindi riducendo al minimo l’utilizzo di materiali. Per quanto riguarda l’acqua, questo processo è a impatto globale zero, in quanto tutta l’acqua consumata per produrre l’idrogeno e l’ossigeno viene restituita all’ambiente nel momento in cui l’idrogeno verrà utilizzato come combustibile. In pratica, l’idrogeno dell’acqua si comporta come un vettore energetico in grado di veicolare l’energia solare all’interno degli utilizzatori finali (fuel cell, motori, ecc.).
Un importante aspetto riguarda lo sviluppo dei materiali necessari per la realizzazione del reattore a membrana che deve operare a temperature molto alte: dicevamo 1900 °C se vogliamo raggiungere una resa di reazione del 20%. In linea di principio, per la separazione dell’idrogeno a queste temperature i materiali candidati sono i metalli refrattari – tantalio, niobio, molibdeno – e loro leghe, mentre per la separazione dell’ossigeno si possono utilizzare ceramici quali l’ossido di afnio.
Il prossimo step per le attività di ricerca riguarderà la messa a punto delle tecnologie necessarie a garantire la stabilità ad alta temperatura dei dispositivi a membrana: si pensi ad esempio alla necessità di disporre di sistemi di giunzione e saldatura di parti metalliche e ceramiche che devono operare in condizioni così estreme. Gli aspetti legati alla disponibilità e, di conseguenza, ai costi di questi materiali sono sempre tenuti in considerazione in tutti gli attuali programmi di ricerca e sviluppo.
Anche i successivi sviluppi, che riguarderanno lo studio di materiali avanzati per alte temperature potranno giovarsi delle competenze del Dipartimento Fusione e tecnologie per la Sicurezza Nucleare sui materiali ad flusso termico studiati come materiali affacciati al plasma, mentre per l’integrazione del processo con la fonte solare si ricorrerà alle competenze nel campo della tecnologia solare a concentrazione del Dipartimento Tecnologie Energetiche e Fonti Rinnovabili.
Fonte @economiacircolare.com – @enea.it
