Una nuova tecnologia delle celle a combustibile facilita la transizione del settore verso flotte alimentate a idrogeno
Non sarà certamente domani il giorno in cui assisteremo alla sostituzione di tutte le stazioni di rifornimento di combustibili fossili con stazioni di ricarica per i veicoli elettrici (EV, Electric Vehicle), e nemmeno per quelli a idrogeno. La transizione sarà progressiva e, nel caso dei veicoli elettrici a celle a combustibile (FCEV, Fuel Cell Electric Vehicle), lo sarà altrettanto l’implementazione delle tecnologie. Il progetto CH2P (Cogeneration of Hydrogen and Power using solid oxide based system fed by methane rich gas) è nato dalla consapevolezza che l’idrogeno verde derivato da fonti rinnovabili è per sua natura variabile e a volte richiederà altre fonti di riserva. Il progetto si è proposto quindi di mettere a punto una tecnologia di transizione: un sistema in grado di generare idrogeno dal gas naturale a basso contenuto di carbonio o dal biometano. La cella a combustibile a ossido solido (SOFC, Solid Oxide Fuel Cell) del progetto CH2P è simile a un sistema combinato di calore ed elettricità. Per generare idrogeno, il sistema impiega calore di alta qualità derivato dalla cella a combustibile. Un prototipo è attualmente in fase di preparazione per i test presso il Centro tecnologico Shell di Amsterdam, nei Paesi Bassi. Ne sapremo di più da Luigi Crema, coordinatore di CH2P.
Oggi, sembra che la priorità delle case automobilistiche e delle reti di rifornimento siano gli EV. Come spiega la mancanza di interesse per gli FCEV?
Luigi Crema: È un’osservazione valida da una prospettiva esterna e la motivazione risiede probabilmente nello stato attuale di sviluppo delle reti di rifornimento e delle infrastrutture per l’idrogeno. Ma la situazione è in rapida evoluzione in molti paesi europei. In Germania, ad esempio, sono state costruite 80 stazioni di rifornimento dell’idrogeno (HRS, Hydrogen Refuelling Station), per creare una rete di 1 000 HRS entro il 2030. Va anche detto che l’interesse per gli FCEV sta crescendo con il consolidamento dei programmi che introducono stazioni di ricarica per i veicoli elettrici a batteria (BEV, Battery Electric Vehicle). Nonostante i BEV siano in fase di sviluppo da più tempo, ritengo che due saranno i fattori importanti che contribuiranno ad accrescere l’interesse nei confronti degli FCEV nei prossimi anni. Il primo è il crescente interesse mostrato dal settore dei trasporti pesanti per camion, convogli ferroviari e imbarcazioni a celle a combustibile. In questo caso, l’idrogeno viene percepito come la soluzione ottimale per i veicoli a lunga distanza. Il secondo fattore è che ci sono sempre più prove del fatto che, in futuro, non potremo contare solo sulla rete elettrica per sostenere l’intero consumo energetico e che sarà necessaria invece un’integrazione settoriale per raggiungere l’obiettivo di una società a emissioni zero entro il 2050. Vi sono varie applicazioni rilevanti in cui le molecole (idrogeno) presentano vantaggi rispetto agli elettroni (batterie o cavi). La mia opinione è che abbiamo bisogno di entrambe le tecnologie per raggiungere gli obiettivi della Commissione europea per il 2050.
In che modo un progetto come CH2P facilita la transizione verso una maggiore adozione degli FCEV?
CH2P è un sistema innovativo di HRS, in grado di supportare il dispiegamento iniziale dell’infrastruttura dei trasporti per la diffusione degli FCEV. Il sistema CH2P cogenera idrogeno, calore ed elettricità utilizzando la tecnologia a celle ad ossido solido alimentata da gas ricchi di metano. Ciò riduce l’impronta di carbonio ottenendo un’efficienza complessiva del sistema estremamente elevata, vicina all’80 %. Il sistema genera sia idrogeno che elettricità con un minore impatto ambientale rispetto alle tecnologie convenzionali e potrebbe essere applicato in modo estremamente efficace a tutti i combustibili alternativi elencati nella direttiva europea DAFI per un’infrastruttura per i combustibili alternativi, per una singola stazione multicombustibile.
Cos’è esattamente che rende questo sistema così innovativo? Può spiegarci meglio?
Il progetto CH2P ha introdotto varie innovazioni: la prima è il reforming del metano combinato all’uso flessibile di una cella a combustibile ad ossido solido. Questa flessibilità soddisfa perfettamente le esigenze dell’utente finale. Nel contempo, la cogenerazione di una parte variabile di idrogeno, calore ed elettricità ottimizza il valore economico e l’impronta di carbonio, oltre a rappresentare una soluzione decisamente efficiente. Vi è poi il nucleo della cella a combustibile: stiamo lavorando su un innovativo bilanciamento dell’impianto (BoP, Balance of Plant) avvolto attorno ai componenti sia caldi che freddi. Ci siamo impegnati intensamente nell’ottimizzazione del layout complessivo, con un efficiente sistema di purificazione sotto forma di assorbitore di oscillazione della pressione (PSA, Pressure Swing Adsorber), insieme a una fase di pressurizzazione mediante un compressore di idrogeno.
Quanto siete vicini al raggiungimento dei vostri obiettivi?
Abbiamo convalidato tutti gli elementi costitutivi del sistema finale e ridotto al minimo i rischi di guasti nel corso del processo approfondito di simulazione. Abbiamo analizzato il layout tecnologico complessivo e la progettazione del sistema di controllo e di sicurezza per il primo prototipo. Ciò è avvenuto attraverso test di laboratorio e in fabbrica, per verificare il comportamento e convalidare le prestazioni dei singoli componenti. L’attività è stata supportata da tutti i partner, tra cui Shell.
Quali sono state le principali difficoltà che avete incontrato e come le avete superate?
Abbiamo accumulato ritardi nel corso delle attività, compensati dai buoni risultati ottenuti. La tecnologia di CH2P costituisce un’innovazione rivoluzionaria e non un’innovazione incrementale per le celle a ossido solido. La progettazione e la convalida delle varie parti della tecnologia sono state complesse ed è stato impegnativo raggiungere i nostri obiettivi con i vincoli dei singoli componenti. Alla fine, abbiamo superato le nostre aspettative iniziali con la realizzazione di una soluzione in grado di abbinare flessibilità d’uso e generazione di energia con rendimento elevato e costi contenuti. Tale evoluzione non era stata prevista all’inizio del progetto per gli elementi tecnologici di base, ma è progressivamente diventata la proposta di valore del sistema CH2P.
Che risultati dovete ancora ottenere prima della conclusione del progetto?
Oggi, ci stiamo preparando ai test del prototipo completo 20 kgH2/giorno, presso HyGear ad Arnhem (Paesi Bassi), a cui seguirà l’integrazione di un secondo modulo per condurre i test pilota presso il Centro tecnologico Shell di Amsterdam. Il sistema CH2P verrà poi collegato a un’infrastruttura di rifornimento dell’idrogeno in loco. Al termine del progetto CH2P, Vertech effettuerà l’analisi completa del ciclo vitale per valutare l’impatto ambientale, l’emissione di carbonio e l’impatto economico. Ma la storia non termina qui. Abbiamo ricevuto una seconda sovvenzione per approfondire l’utilizzo reversibile della medesima tecnologia, che permette la modalità di elettrolisi inversa associata all’utilizzo di energie rinnovabili. Il nuovo progetto SWITCH amplierà la portata del sistema CH2P con lo sviluppo di una nuova soluzione in grado di generare principalmente idrogeno verde (dalle energie rinnovabili nella modalità di elettrolisi) che sia sempre garantito (nel funzionamento di CH2P, da miscele ricche di metano). Si tratta di un presupposto per garantire una continuità d’uso e per massimizzare nel contempo l’utilizzo delle energie rinnovabili.
Parole chiave
CH2P, idrogeno, gas naturale, biometano, tecnologia di transizione, cella a combustibile
