L'IMPEGNO ENEA PER LO SVILUPPO TECNOLOGICO DEL SETTORE ENERGETICO
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L’IMPEGNO ENEA PER LO SVILUPPO TECNOLOGICO DEL
SETTORE ENERGETICO
Giorgio Palazzi
ENEA
SOMMARIO
Vengono presentati i principali progetti attualmente in fase di esecuzione presso l’ENEA nel settore energetico.
Specificatamente il Progetto Archimede (prototipo di impianto solare termodinamico), il Progetto Biomasse
(tecnologia della gassificazione e produzione di etanolo), il Progetto Phocus (impianto fotovoltaico a
concentrazione), il Progetto Zecomix (impianto di produzione combinata di idrogeno ed elettricità da carbone), il
Progetto Trasporti (veicolo ibrido e mobilità)
PREMESSA geotermico hanno raggiunto la piena maturità industriale, mentre
uno sforzo di R&D è necessario per le biomasse, dove ci si
L’ENEA ha presentato recentemente il “Rapporto Energia- attende un utilizzo pari a cinque volte quello attuale, limitato a
Ambiente 2004” che fotografa la situazione energetico- 0,7 Mtep, e per il fotovoltaico, che presenta ancora costi molto
ambientale del nostro paese, fornisce previsioni a medio elevati.
termine nel settore (produzione/consumi) e analizza scenari Per le biomasse, la tecnologia su cui l’ENEA ha concentrato
per gli apporti delle differenti fonti energetiche. gli sforzi è la gassificazione. Vengono svolte attività anche per
L’”anomalia” tutta italiana della rilevante percentuale di migliorare il treno di “gas cleaning” (nuovi catalizzatori sono
petrolio come fonte primaria deve assolutamente essere stati brevettati) e individuare nuovi sistemi di produzione:
corretta. La soluzione più idonea è un mix di fonti, l’ENEA sta sperimentando un impianto (unico in Europa)
comprendenti, oltre gli idrocarburi, anche il carbone e le decisamente innovativo con il gassificatore di biomasse che
rinnovabili (solare, biomasse, eolico). alimenta una cella a combustibile a carbonati fusi da 125 kWe.
Ma è necessario inserire nella lista delle fonti anche l’uso Una notevole attività di R&S riguarda anche la produzione di
razionale dell’energia, una risorsa “virtuale”, che può essere la bioetanolo da biomasse lignocellulosiche, mediante un
principale leva di intervento a brevissimo termine per una pretrattamento con il processo di steam-explosion e l’utilizzo di
diminuzione efficace dei consumi e delle emissioni nel settore bireattori (slides 6,7,8,9,10,11).
energetico. Sul fotovoltaico, lo sforzo tecnologico si è focalizzato sulle
Inoltre è opportuno valutare ogni fonte non solo in celle a concentrazione, con un impianto a livello preindustriale
relazione alla disponibilità e ai costi, ma anche collegandola (slides 12,13,14,15,16,17) da 25 kWp composto da 5 eliostati, e
strettamente con la tecnologia d’uso e l’impatto ambientale. su moduli a film sottili applicati al settore civile. Ma oltre a
Ad esempio una decisione di incremento del carbone dovrebbe queste impegnative attività vi è la consapevolezza che il vero
essere sempre connessa al tipo di tecnologia impiegata e alla break-through sul fotovoltaico potrà avvenire con la creazione di
valutazione delle emissioni. nuovi materiali appositamente progettati per ottimizzare l’intero
spettro energetico della radiazione solare raddoppiando le
efficienze ottenute attualmente con le celle al Silicio (celle
GLI INTERVENTI TECNOLOGICI innovative basate su nuove strutture quantistiche) o diminuendo
notevolmente i costi (semiconduttori organici).
Le fonti rinnovabili costituiscono una strada precisa su cui Il vettore idrogeno è l’altro settore che caratterizza il
impegnarsi: le “nuove” fonti rinnovabili (quindi escluso il programma di R&S dell’ENEA.
grande idro che attualmente con circa 30TWh rappresenta il L’obiettivo finale è quello di avere una ampia disponibilità di
64% delle intere rinnovabili) dovrebbero quasi raddoppiare in 7- idrogeno mediante dissociazione dell’acqua con l’utilizzo dell’
8 anni per raggiungere un traguardo dignitoso, ma pur sempre energia solare. Questo rappresenta non solo un target per la
limitato rispetto ai consumi complessivi dell’energia elettrica ricerca, ma anche una forte motivazione per un’ampia diffusione
nazionale. del vettore idrogeno nel futuro. Gli studi sperimentali ENEA
La prima tecnologia a cui l’ENEA punta è il solare ad alta sono collegati a reazioni chimiche “a ciclo chiuso” quali
temperatura, su cui si basa il progetto Archimede (slides Iodio/Zolfo e ossidi metallici, per permettere la decomposizione
1,2,3,4,5), che può essere considerata l’unica nuova fonte dell’acqua a temperature compatibili con forni solari.
rinnovabile “concentrata” e di “grande taglia” (le altre fonti
rinnovabili sono tipicamente “distribuite”); l’eolico e il
Il vettore idrogeno trova anche una sua precisa utilizzazione Progetto “Archimede”: la localizzazione
nel medio termine, in particolare nei trasporti urbani per
diminuire drasticamente il problema dell’inquinamento. Presso il comune di Gargallo è stata
La logica è una produzione dell’idrogeno da fonti fossili in recentemente riconvertita una centrale ad olio
combustibile in una a gas a ciclo combinato
centrali extraurbane e relativo utilizzo come combustibile
privilegiato a zero emissioni per auto utilizzate in aree kWh/m2
metropolitane (il costo delle esternalità in zona metropolitana
1750
può essere venti volte superiore alle stesse emissioni in zona
rurale).
La ricerca dell’ENEA è rivolta in particolare alla 1350
produzione combinata di energia elettrica e idrogeno da
impianti a carbone (slides 18,19,20,21,22,23): vengono
studiate soluzioni tecnologiche avanzate per la cattura della
CO2 e la produzione di H2 con un elevato grado di purezza Le nuove opportunità nel mondo dell’ENERGIA da fonti RINNOVABILI Milano, 7 aprile 2004
compatibile con l’utilizzo in celle a combustibile per la slide 3
trazione in campo automobilistico.
Lo studio per lo stoccaggio dell’idrogeno nelle auto è
focalizzato sull’utilizzo degli idruri metallici, mentre per il
sistema di trazione vengono analizzati sia le celle a
combustibile polimeriche, sia motori alternativi, sia sistemi
ibridi, privilegiando l’utilizzo dei supercapacitori. Progetto “Archimede”: ricostruzione fotografica
Inoltre vengono sviluppati strumenti di calcolo applicabili in
sede di pianificazione, di controllo e di previsione della
mobilità (slides 24, 25, 26, 27).
Le nuove opportunità nel mondo dell’ENERGIA da fonti RINNOVABILI Milano, 7 aprile 2004
slide 4
slide 1
Le innovazioni introdotte dal progetto ENEA Il circuito PCS
Collettore
solare
Fluido
termovettore Tubo
550°C Fluido caldo ricevitore
Accumulo
termico Serbatoi di
accumulo Fluido freddo
290°C
Generatore
di vapore
Sistema di
produzione elettrica
2003-1 Le nuove opportunità nel mondo dell’ENERGIA da fonti RINNOVABILI Milano, 7 aprile 2004
slide 2 slide 5
2BIOMASSE
Impianto “JOULE” CR Trisaia
Fonti Rinnovabili
Biomasse
Biomassa Gassificatore Cella a combustibile
Il laboratorio di
eccellenza C.R.Trisaia
sulla Gassificazione
La Cella a Combustibile Ansaldo Fuel Cell
MCFC FN
ENEA
6 7
slide 6 slide 7
Fonti Rinnovabili
Biomasse Steam explosion
processo idrotermico di destrutturazione della
biomassa, per applicazione di vapore saturo ad
Produzione di bioetanolo alta pressione.
Miscelandolo con la benzina
Da utilizzare
Per produrre idrogeno
Prodotti e applicazioni
Prodotti e applicazioni
biomassa
EMICELLULOSA
Matrici Tecnologia Trattamenti Prodotto ( xilitolo )
Vapore saturo
Vapore saturo
180-220°C
mais 180-220°C LIGNINA
Steam idrolisi ( bio - polimeri)
alghe etanolo Estrazioni acquose
explosion enzimatica prodotto CELLULOSA
legno
(Ad esempio 1 Kg residuo mais = 200g etanolo) IDROLISI
8 H2 REFORMING CATALITICO
FERMENTAZIONE 9
ETANOLO
slide 8 slide 9
Bioreattore da 50 litri Gassificazione della biomassa
Progetto CINA
Laboratorio analisi biomasse
Impianto in Cina
¾ gassificazione a letto fluido con aria,
potenza termica generata 1 MW
¾ residui legnosi e lolla di riso, portata
280 kg/h
¾ produzione di gasincombustibile
Impianto Italia
contenente H2 e CO
¾ produzione di energia elettrica con
gruppo elettrogeno da 160 kW
slide 10 slide 11
3FOTOVOLTAICO
Fonti Rinnovabili Progetto PhoCUS
Fotovoltaico • Sviluppo della tecnologia del fotovoltaico a media concentrazione
• Sviluppo di una filiera nazionale (coinvolgimento di operatori
Impianto a Impianto dimostrativo 25 kWp industriali): sviluppo, realizzazione e sperimentazione di
Concentrazione Monte Aquilone 5 eliostati dispositivi, componenti e sistemi prototipali
Target cost nel medio termine 4,1 €/W
(5 MW/year)
Ottica/cella
Cella; 0,35 €/W; 9%
Sviluppo modulo e cella
Power related cost; assembly; 0,4 €/W;
5 kWp 0,8 €/W; 20% 10%
Portici/Casaccia 1 eliostato
Modulo; 1,3 €/W;
Celle “a strutture quantistiche”?
Tracking; 1,25 €/W;
30% 31%
Il Break-through
sul PV Celle “organiche”? 12 13
slide 12 slide 13
Cella Enea :Risultati Concentratore rifrattivo
40
514-3 2um
21.5 617-5 4um
35
griglia a pettine 1.21cm
2 21.0 618-4 4.7um
30 PC1D
Voc = 640 mV 20.5
Current (mA/cm )
2
2
25
Jsc = 38 mA/cm 20.0
FF = 81.5 % 19.5
Efficiency (%)
20 Eff = 19.84 % 19.0
18.5
15 2
griglia PHOCUS 1.21cm 18.0
10
Voc = 634 mV 17.5
2
Jsc = 34.9 mA/cm 17.0
5 FF = 83.15 % 16.5
Eff = 18.4 % 16.0
0
0.0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 1 10 100
Voltage (V) Suns
Prismatico
15.6x15.6cm^2
14
brevettato Enea
15
slide 14 slide 15
Modulo a concentrazione
brevetto ENEA-ENI TECNOLOGIE in corso
Cella assemblata su dissipatore
Cablaggi elettrici
interni
Housing e parquet
di ottiche
16 Inseguitore installato a 17
Portici
slide 16 slide 17
4IDROGENO
Idrogeno da carbone. Tecnologie utilizzate
Progetto ZECOMIX
1. Gassificazione + Shift della CO con vapore
e separazione della CO2 Obiettivo Dimostrazione del processo che unisce la
tecnologia di gassificazione con l’utilizzo
2. Cracking pirolitico
appropriato del vettore idrogeno
3. Idrogassificazione + decarbonizzazione con CaO
Costo 9,6 M€
In Italia i programmi di R&S sono attualmente su:
1) Gassificazione Sotacarbo/ENEA/Ansaldo ENEL Durata 3 anni
2) Cracking ENEL Stato Approvato dal MIUR Decreto atteso in aprile
3) Idrogassificazione ENEA/Ansaldo
18 20
slide 18 slide 19
CICLO ZECOMIX – schema impianto
CICLO ZECOMIX – Schema impianto sperimentale
DECARBONIZZATORE
IDROGASSIFICATORE Vapore ZECOTECH:
H2, H2O
Generazione ad altissima efficienza
O2
30 Bar
CH4, CO2,
H2, H2O Combustore H2 –O2 Vapore 1200 °C
Carbone 850 °C
CO, H2O, 800 °C
30 bar Gas H2
30 bar
30 Bar
cleaning 540 °C
30 Bar
970 °C
Ceneri
CaCO3 CaO
Compr. Espansore TV BP
TV BP ~
CALCINATORE
950 °C
1 Bar 1 Bar 1 Bar
6 bar 100 °C 560 °C 190 °C
Caldaia a
CO2 recupero
Deposito/Utilizzo
Acqua alimento
21 22
slide 20 slide 21
Piattaforma Pilota
Sezione di gasificazione
La gassificazione consiste in uno processo di degradazione
Carbone termica e termochimica che converte il combustibile solido
W
in gas lasciando un residuo inerte
120°C Carbone •Aria arricchita è utilizzata per ridurre
Syngas i gas inerti
Heating CO,CO2, •Vapor saturo è introdotto per
H2,CH4 ,N2 e
Desolforatore impurità
migliorare il controllo della
temperatura, che permette una più alta
Gassificatore resa nella produzione di idrogeno
Pulizia Gas Essicamento Gas
Tar storage
•Il vapore è uniformemente distribuito
Pirolisi lungo il reattore
CO2 + H2
Gassificazione •Non è richiesto nessun pre-
250°C 450°C
Combustione Solidi essicamento
Aria
Cooling Heating Temperatura
•Una parziale combustione della carica
Motore a C.I.
Cooling Acqua
con ossigeno è richiesta per sostenere il
Condenser CO shift Ceneri processo endotermico nella parte
Separazione CO2
Gassificatore a letto fisso superiore del gassificatore
42
slide 22 slide 23
5TRASPORTI
TRASPORTI Schema dell’ibrido “Triplo”
Mobilità
sostenibile UC
Multiple
∼
Input
BSU Power DC/AC
Electronic Converter
Converter
FUEL
Electric
Motor
FC
Strumenti di gestione, controllo e previsione per mobilità
urbana e trasporto merci
Control Manager
IUC LINK
Schema elettrico e
SSD UC DSU UC
ICUC OUT
IUC LUC ILUC
V UC CUC OUT
IUC LINK
ICUC IN
UC
SSU UC DSD UC
Veicolo a zero emissioni: ottimizzazione dei componenti prototipo del MIPEC
CUC IN
ILINK
IFC LINK
SSD FC DSU FC
energetici (celle, motori, batterie, ultracapacitori)
ICFC OUT
IFC LFC ILFC
V FC CFC OUT VLINK
(Multiple Input Power
ICFC IN
SSU FC DSD FC
FC
CFC IN
Electronic Converter,
IB LINK
SSD B DSU B
ICB OUT
LB
VB IB ILB
CB OUT
ICB IN
ENEA/UniRoma3)
B
SSUB DSD B
CB IN
31 32
slide 24 slide 25
L’esperienza sul sistema CRF MODELLI VALUTAZIONE SISTEMI DI TRASPORTO
FINALITA’ : analisi stato attuale e confronto scenari alternativi
250
Vlink
Ilink FUNZIONALITA’ : Simulazione reti di trasporto, Stima impatti energetici-
200
Vbu
Ibu ambientali , Calcolo indicatori sintetici di scenario
Vfc
Ifc
150 •MOBILITY •SYLOG
100 pianificazione trasporto urbano pianificazione trasporto merci
passeggeri extraurbano multimodale
50 •Interventi: infrastrutturali, •Interventi: infrastrutturali e
controllo domanda, circolazione, tecnologici
0
FC MIPEC Azionamento
rinnovo parco veicoli
3200 3220 3240 3260 3280 3300 3320 3340 3360 3380
•Diagnostica in linea e •Valutazione impatti
Batterie
previsione stato del traffico (inquinamento, rumore,
urbano salute,monumenti)
33 •PROGETTO MERLINO •PROGETTO ISHTAR 34
slide 26 slide 27
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