Un approvvigionamento costante di energia verde grazie al passaggio da una fonte di combustibile all’altra
Un sistema che permette di passare da una fonte all’altra è in grado di assicurare una fornitura stabile di elettricità a basse emissioni di carbonio basata sull’idrogeno, ad esempio per le stazioni di rifornimento dei trasporti. «Ci siamo avvalsi delle tecnologie a base di [celle di] ossido solido per sviluppare il sistema di produzione dell’idrogeno mediante multicombustibile, ovvero un sistema che può essere alimentato da energia elettrica, energia rinnovabile e processi di elettrolisi dell’acqua e consente il passaggio da una fonte all’altra a seconda delle necessità», spiega Matteo Testi, il coordinatore del progetto, che dirige l’unità Hydrogen Technologies and Resilient Energy Systems (HyRES) presso la Fondazione Bruno Kessler, con sede a Trento. Il calore di alta qualità proveniente dalla cella a combustibile viene utilizzato per generare idrogeno in modo efficiente. «Il prototipo è in grado di scindere l’acqua per produrre ossigeno e idrogeno ad alta purezza. Tuttavia, se non disponiamo di energia rinnovabile, può passare all’elettrolisi per convertire il biometano, in modo da produrre idrogeno per l’alimentazione elettrica», aggiunge. Il sistema SWITCH si basa su un precedente progetto finanziato dall’UE, CH2P, che ha sviluppato un prototipo per produrre idrogeno a partire da biometano mediante l’utilizzo di una cella a combustibile a ossidi solidi (SOFC, solid oxide fuel cell). Testi e il suo team intendevano ampliarne la funzionalità al fine di includere l’elettrolisi e utilizzare diverse tipologie di apporto energetico. «Si tratta di un obiettivo facile da dirsi; tuttavia, la produzione di idrogeno mediante questi due metodi di input implica due processi completamente diversi. Dal punto di vista ingegneristico, sono necessari componenti differenti e una progettazione del sistema che consenta di ridurre gli sprechi di energia dovuti alla commutazione», spiega. La sfida da affrontare nel corso della fase di progettazione è stata quella di trovare un numero minimo di componenti che potessero funzionare con entrambi i processi.
Rilevare l’apporto di energia e regolare i processi
Un sistema di controllo unico, sviluppato dai partner del progetto, rende possibile il rilevamento del tipo di energia immessa e la regolazione ottimale dei processi, tra cui l’utilizzo dell’elettrolisi per produrre idrogeno a partire da elettricità rinnovabile o il cracking a vapore per il biometano. «Ci sono standard, codici di condotta e regolamenti da rispettare, per cui la produzione di un controllo solido e standardizzato per il modulo a celle multiple, integrando al contempo le funzioni di sicurezza, ha richiesto molto tempo», aggiunge. «Per un sistema di produzione di idrogeno ad alta potenza era fondamentale garantire che i sistemi di sicurezza e controllo fossero sviluppati e convalidati in modo adeguato.» Per il sistema di controllo sono stati realizzati diversi prototipi, integrando sistemi e protocolli di sicurezza allo scopo di gestire le condizioni operative e i rischi associati a ciascun processo.
Testare la sicurezza e la solidità
L’ottimizzazione dell’efficienza e delle prestazioni, soprattutto in relazione alla commutazione tra le modalità di immissione dell’energia, ha richiesto ampi test e perfezionamenti per giungere allo sviluppo di un prototipo che potesse essere dimostrato in un ambiente operativo. «Abbiamo affrontato diversi problemi in quanto la metodologia prevedeva la convalida di ogni componente in maniera separata, ovvero la cella, lo scambiatore di dati, il vaporizzatore e il reattore, per cui li abbiamo integrati sulla base di un progetto di simulazione che consente di risparmiare tempo e denaro. Il prototipo è stato assemblato in due container nel sito dimostrativo gestito dall’impresa olandese HyGear », osserva, riferendosi al partner del consorzio attivo nel campo delle tecnologie basate sull’idrogeno. Nonostante le interruzioni causate dalla pandemia di COVID-19 durante il periodo di dimostrazione, il prototipo è stato testato per 1 000 ore in modalità elettrolizzatore a ossido solido (elettrolisi) al fine di verificare l’eventuale degrado del modulo a celle. «Non abbiamo riscontrato alcuna traccia di degrado, un fatto importante date la complessità del sistema e la possibilità che le impurità entrino da diversi punti di ingresso», riferisce Testi.
Un sistema modulare su misura per le applicazioni energetiche
Il prototipo è stato progettato in qualità di sistema modulare: la produzione di idrogeno può essere aumentata o ridotta aggiungendo o rimuovendo componenti modulari, come le pile di celle a combustibile e i sottosistemi associati. «Ciò consente l’adattabilità del sistema alle esigenze specifiche e alle fonti di energia disponibili in un determinato luogo o nell’applicazione interessata», conclude Testi.
Parole chiave
SWITCH, energia, energia rinnovabile, idrogeno, metano, biometano, cella a combustibile a ossidi solidi, SOFC, CH2P, elettrolisi, HyGear
