SEMINARIO "POWER-TO-GAS" E IDROGENO - ING. GUANDALINI GIULIO PHD CANDIDATE - DIPARTIMENTO DI ENERGIA POLITECNICO DI MILANO
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SEMINARIO “POWER-TO-GAS” E IDROGENO Energia al Ing. Guandalini Giulio Trasferimento PhD candidate – Dipartimento di Energia tecnologICO Politecnico di Milano
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SOMMARIO
Idrogeno e sue caratteristiche
Bilanciamento delle fonti rinnovabili aleatorie e soluzioni
tecnologiche “Power-to-Gas”
Produzione di idrogeno da elettricità
Metanazione dell’idrogeno
Impianti esistenti
ETICO – “Power-to-gas” - Guandalini Giulio
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SOMMARIO
Idrogeno e sue caratteristiche
Bilanciamento delle fonti rinnovabili aleatorie e soluzioni
tecnologiche “Power-to-Gas”
Produzione di idrogeno da elettricità
Metanazione dell’idrogeno
Impianti esistenti
ETICO – “Power-to-gas” - Guandalini Giulio
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VETTORI ENERGETICI
L’idrogeno è considerato una delle possibili alternative per una transizione verso
vettori energetici “puliti”, considerando tali solo quelli che riduzione delle
emissioni lungo tutta la filiera, è possibile ridurre sia l’inquinamento locale (es.
NOx, SOx, particolato, …) che quello globale (es. emissioni di CO2).
Vantaggi nel settore trasporti, qualche esempio allo stato di prototipo, ma anche
per le applicazioni termiche che attualmente sfruttano come fonte energetica gli
idrocarburi.
Diverse soluzioni proposte:
• Elettricità
• Idrogeno
• Biocombustibili
ETICO – “Power-to-gas” - Guandalini Giulio
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L’IDROGENO
L’idrogeno atomico è il più leggero e comune elemento in Natura
(si stima pari a ÷ 75% della materia presente nell’universo)
Peso molecolare = 1.008 kg/kmol
L’idrogeno molecolare è costituito da due atomi H da cui H2
La presenza di H2 molecolare in natura è estremamente rara, ma l’atomo di idrogeno è
estremamente diffuso in molecole più complesse (acqua, idrocarburi CnHm, …) da cui va
estratto con processi energeticamente dispendiosi tra cui:
“Steam reforming” o ossidazione parziale di idrocarburi leggeri o pesanti
Gassificazione o pirolisi di combustibili solidi (carbone, biomasse, …)
Elettrolisi dell’acqua
La produzione mondiale di H2 è al momento pari a circa 600 mld di Nm3
all’anno (circa 50 ton) di cui circa il 95% proviene da fonte fossile:
50% da “steam reforming” di gas naturale
30% da cracking di idrocarburi pesanti
15% da gassificazione di carbone
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L’IDROGENO - CARATTERISTICHE FISICHE
Idrogeno Metano
Molecola H2 CH4
Peso molecolare g/mol 2.016 16.043
Temperatura critica °C -240 -82.7
Pressione critica bar 12.98 45.96
Calore latente di evaporazione (1 atm) kJ/kg 454.3 510
Densità gas (1 atm, 15°C) kg/m3 0.085 0.68
Densità liquido (1 atm, ebollizione) kg/m3 70.98 422.62
Potere calorifico (LHV) MJ/kg 120.0 50.0
Limite di infiammabilità in aria (1 bar, 20°C) %vol 4.0 ÷ 75.0 5.0 ÷ 15.0
Indice di Wobbe MJ/Nm3 40 ÷ 48 48 ÷ 53
L’energia per unità di volume dell’idrogeno risulta pari a circa un quarto di quella di altri combustibili a
pari condizioni (sia in forma liquida che gassosa)
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SOMMARIO
Idrogeno e sue caratteristiche
Bilanciamento delle fonti rinnovabili aleatorie e soluzioni
tecnologiche “Power-to-Gas”
Produzione di idrogeno da elettricità
Metanazione dell’idrogeno
Impianti esistenti
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FONTI RINNOVABILI
Fonte: Rapporto Statistico GSE 2012 sugli
impianti a fonti rinnovabili in Italia
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PROBLEMI GENERATI DALLE FONTI NON-DISPACCIABILI
Bilanciamento dei carichi
Programmazione del dispacciamento
Necessità di regolazione (stabilità e prontezza del sistema)
Presenza di armoniche e variazioni nella tensione
In molti casi la rete non riesce a trasportare tutta la potenza generata dalle fonti
rinnovabili:
in Italia tra il 2009 e il 2010 sono stati persi circa 700 GWh su una produzione
complessiva di 18900 GWh (circa il 4%) di potenziale energia del vento a causa di
limitazioni della rete o disaccoppiamento con la domanda.
La quota di energia persa è destinata a crescere con l’aumento della potenza
eolica installata.
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SISTEMI DI STOCCAGGIO
Pompaggio Volani
CAES Supercapacitori e
Batterie (acidi deboli, Ni-Cd, Li- superconduttori
ions, redox, …) Idrogeno e gas naturale sintetico
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POWER-TO-GAS
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POTENZIALITÀ DELLA RETE DEL GAS NATURALE
Potenzialità Produzione
Trasporto
P2G elettrica da
gas naturale
1%vol H2 solare e
(×109 Nm3/y)1 eolico
(TWhel/y)2 (TWh/y)3
Germania 85 4.4 74.0
Italia 78 4.0 31.7
Spagna 34 1.7 61.0
UK 83 4.3 22.0
1 data from IEA Gas Market Report 2012 [12] (ref. year 2011)
2 with 60% efficiency (H2,LHV/Eel)
3 data from BP Statistical Review of World Energy 2013 [13] (ref.
year 2012)
SNAM RETE GAS (2012)
Transportation: 75.78 billions of Nm3
Storage: 15.63 billions of Nm3
ETICO – “Power-to-gas” - Guandalini Giulio13
TRASPORTO DI H2 NELL’INFRASTRUTTURA DEL GN
Il progetto NaturalHY (EU, FP 6) ha studiato il problema degli effetti dell’iniezione di idrogeno nella
rete esistente del gas naturale:
• Quale frazione di idrogeno è accettabile dal punto di vista della sicurezza?
• Quale effetto ha l’idrogeno sulla durata delle tubazioni?
Prove a fatica dei materiali delle tubazioni del sistema di trasmissione (acciai) in presenza di
miscele di idrogeno fino al 50% non presentano criticità
Prove permeabilità per il sistema di distribuzione (materiali polimerici PE100/PVC-HI) in presenza
di miscele di idrogeno fino al 20% portano a valori di perdite (litri/km/giorno) paragonabili al gas
naturale. Gli effetti di invecchiamento non risultano rilevanti.
Le misure dei contatori domestici presentano un errore inferiore al 2% (in presenza del 50% di
idrogeno)
Le tecniche di rilevamento dei difetti e di prevenzione attuali sono efficaci anche in presenza di
idrogeno, tuttavia le cricche propagano a velocità maggiore
Tramite valutazioni di rischio sia in ambito domestico che sulle grandi condotte di trasporto
(fughe di gas) tramite sperimentazione, il 20% di presenza di H2 non genera significative
differenze che sono invece significative a concentrazioni del 50%.
In conclusione frazioni limitate di idrogeno nel gas naturale non aumentano significativamente i rischi.
Tuttavia il progetto non considera gli effetti sulle prestazioni di apparecchiature industriali.
ETICO – “Power-to-gas” - Guandalini Giulio14
UNA VECCHIA SOLUZIONE…
Il trasporto di gas per l’illuminazione stradale contenenti idrogeno è stata
pratica molto diffusa in passato…
Fino agli anni ’60 anche il gas per usi domestici in Italia apparteneva a
questa categoria (“gas di città”), per poi essere convertito al gas naturale
più economico, pulito e ampiamente disponibile (importazioni da Russia,
Algeria, giacimenti nel Mare del Nord, …).
H2 CO Idrocarburi Altri gas
~ 50 % ~ 10 % ~ 40 % ~1%
ETICO – “Power-to-gas” - Guandalini Giulio15
LA NORMATIVA PER IL GAS NATURALE
Codice di rete SNAM Rete Gas, Allegato 11/A rev 01 (2013)
EASEE-gas CBP
SNAM
2005-01-002
O2 [%vol] < 0.6 < 0.001
CO2 [%vol]16
IDROGENO IN MISCELA
Stime secondo ISO 6976
ETICO – “Power-to-gas” - Guandalini Giulio17
SOMMARIO
Idrogeno e sue caratteristiche
Bilanciamento delle fonti rinnovabili aleatorie e soluzioni
tecnologiche “Power-to-Gas”
Produzione di idrogeno da elettricità
Metanazione dell’idrogeno
Impianti esistenti
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ELETTROLISI - PRINCIPI
Esistono diverse tecnologie che permettono la scissione della molecola d’acqua in
idrogeno ed ossigeno (idrolisi):
Elettrolisi
Termolisi o idrolisi termica 1
H 2O → H 2 + O2
Idrolisi termochimica 2
Fotolisi
Si tratta del processo inverso alla combustione dell’idrogeno e richiede un contributo
energetico esterno.
Tra queste l’elettrolisi è l’unica ad avere applicazioni commerciali anche di larga scala e
consiste nella rottura della molecola d’acqua per mezzo del passaggio di corrente elettrica
continua in un opportuno elettrolita.
(William Nicholson, 1800; August W. von Hoffman, 1866)
Nelle “fuel cell” o celle a combustibile alimentate a idrogeno si ha il fenomeno opposto
per cui la reazione di combustione dell’idrogeno genera una corrente di elettroni in un
circuito esterno alla cella.
(Sir William R. Grove, 1839)
ETICO – “Power-to-gas” - Guandalini Giulio19
ELETTROLISI - CELLA
I componenti fondamentali del sistema sono:
Elettrodi
Elettrolita
Diaframma
Generatore esterno di CC
Il sistema deve essere alimentato con acqua
demineralizzata (circa 5 μS/cm) prodotta in
genere con sistemi a osmosi inversa.
Le celle possono essere connesse in serie o in parallelo, fino a raggiungere la taglia
desiderata.
La struttura esterna deve essere in grado di contenere l’elettrolita (talvolta caustico o
corrosivo) ed isolare elettricamente il sistema.
ETICO – “Power-to-gas” - Guandalini Giulio20
ELETTROLISI - TERMODINAMICA
Ursua et al., Int. J. Hydr. Ener., april 2013
ENERGIA
ENERGIA ELETTRICA
ELETTRICA
CALORE
CALORE
L’effetto della temperatura è estremamente rilevante sul
∆H0298K = 285.84 kJ/mol comportamento del sistema:
∆S0298K = 0.1631 kJ/mol K celle a bassa temperatura (alcaline, PEM)
celle ad alta temperatura (SOEC)
∆G0298K = 237.21 kJ/mol
La pressione ha un effetto termodinamicamente trascurabile, ma
1 si studiano celle pressurizzate per evitare la compressione
H 2O → H 2 + O2 successiva dell’idrogeno gassoso
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ETICO – “Power-to-gas” - Guandalini Giulio21
ELETTROLISI – TECNOLOGIE A BASSA TEMPERATURA
Carmo et al., Int. J. Hydr. Ener., april 2013
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ELETTROLISI - SISTEMA
Moisture
Catalytic separator
Dryer (PSA)
oxidation 9
Purge water
Heating
element Purge
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ETICO – “Power-to-gas” - Guandalini Giulio23
ELETTROLISI ALCALINA
L’elettrolisi alcalina a pressione atmosferica è la tecnologia consolidata, con più di 400
unità commerciali dal 1902 (99% della potenza mondiale installata). Sono impianti
affidabili e sicuri, con una vita utile di circa 15 anni.
Sono oggi sul mercato unità pressurizzate fino a 30 bar.
Consente efficienze elevate: 40 ÷ 80 % PCIH2/Eelettrica (circa 4.3 ÷ 5.5 kWhel/Nm3)
Temperature di esercizio: 65 ÷ 100 °C
Elettrolita: soluzione acquosa di KOH o NaOH (25÷ 30 % in peso), caustica e corrosiva
Purezza dell’idrogeno: 99.7 ÷ 99.9 % (senza sistemi di purificazione)
Range operativo: 20 ÷ 100 %
Costi: circa 600 €/kW (3000 € per Nm3/h) per grandi taglie (> 1000 Nm3/h), ma oltre a
4000 €/kW per piccole macchine. Tuttavia circa il 70% del costo totale dell’idrogeno
prodotto è dovuto al costo dell’energia elettrica.
I grandi impianti esistenti, costruiti nella seconda metà del secolo scorso, sono
generalmente in vicinanza di grandi centrali idroelettriche:
Assuan (Egitto, 33000 Nm3/h), Ryukan (Norvegia, 27900 Nm3/h), Trail (Canada, 15000
Nm3/h), Cuzco (Perù), Nangal (India), Alabama (USA)
ETICO – “Power-to-gas” - Guandalini Giulio24
ELETTROLISI PEM
Le prime applicazioni della tecnologia PEM risalgono agli anni ‘60. Attualmente esistono
unità commerciali, ma sono generalmente limitate in termini di produzione (circa 30 Nm3/h,
174 kW) soprattutto a causa degli elevati costi e della ridotta durata.
Consente efficienze elevate: 42 ÷ 70 % PCIH2/Eelettrica (circa 4.5 ÷ 5.1 kWhel/Nm3)
Temperature di esercizio: < 100 °C
Elettrolita: membrana polimerica sottile (< 0.2 mm) a carattere acido (gruppi -SO3H),
Nafion ™ (DuPont)
Purezza dell’idrogeno: > 99.99 % (senza sistemi di purificazione)
Range operativo: 0 ÷ 100 %
Costi: superiori a quelli della corrispondente tecnologia alcalina, scarsa
commercializzazione
Nel complesso la tecnologia PEM risulta essere più compatta poiché può lavorare a
densità di corrente più elevate dell’alcalina (1.6 A/cm2). Inoltre la struttura del sistema
permette di ottenere pressioni elevate. La membrana polimerica separa efficacemente i
gas, evitando la formazione di miscele pericolose, anche per correnti molto basse.
Un ulteriore vantaggio è la capacità di rispondere rapidamente a variazioni del carico
elettrico, dovuta alla ridotta inerzia del trasporto protonico nella membrana.
ETICO – “Power-to-gas” - Guandalini Giulio25
ELETTROLISI
ETICO – “Power-to-gas” - Guandalini Giulio26
ELETTROLISI
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Produzione di idrogeno da elettricità
Metanazione dell’idrogeno
Impianti esistenti
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METANAZIONE DELL’IDROGENO
CO 2 +4 H 2 → CH 4 + 2 H 2O ∆H0298K = -206.28 kJ/mol
CO + 3H 2 → CH 4 + H 2O ∆H0298K = -41.16 kJ/mol
Il Processo Sabatier è il processo che permette la metanazione, secondo le reazioni di idrogenazione
del monossido di carbonio e dell’anidiride carbonica secondo le stechiometrie sopra riportate.
(Sabatier & Senderens, 1902)
Termodinamicamente si tratta di reazioni esotermiche favorite a basse temperature ed alte pressioni.
Sono necessari catalizzatori per migliorare la selettività del processo ed evitare la reazione di water
gas shift. Il catalizzatore utilizzato è Ni supportato su allumina, ma è attiva la ricerca su catalizzatori
più selettivi e robusti (Rh/SiO2, Fe/SiO2, Rh/Y zeolite).
I reattori possono essere eserciti in un range di temperature fra 250°C e 700°C (solitamente intorno a
300÷400°C) e a pressione elevata (40÷60 bar). La reazione è favorita da una composizione in ingresso
vicina a quella stechiometrica, per cui può essere necessario introdurre un reattore di water gas shift
a monte per ottenere il corretto rapporto H/C.
Il processo ha un’efficienza pari a circa 80 % (PCIgns/PCIsyn); il calore prodotto dalla reazione può
essere efficacemente recuperato tramite produzione di vapore ad alta pressione.
Lo scopo di questo processo è ottenere un gas naturale sintetico che rispetti le specifiche richieste
per l’immissione nella rete di distribuzione nazionale.
A livello industriale è proposta la tecnologia TREMP™; la maggior parte della ricerca è in realtà
focalizzata nel campo aerospaziale.
ETICO – “Power-to-gas” - Guandalini Giulio29
METANAZIONE – CO2 DA BIOGAS
Biogas da
Biogas da GN Mare Limiti GN Limiti GN Limiti GN
Specie digestori
rifiuti del Nord Italia Germania Svezia
anaerobici
CH4 [%vol] 35÷65 53÷70 87 n.a. n.a. 95÷99
H2 [%vol] 0÷3 n.a. n.a. n.a.30
SOMMARIO
Idrogeno e sue caratteristiche
Bilanciamento delle fonti rinnovabili aleatorie e soluzioni
tecnologiche “Power-to-Gas”
Produzione di idrogeno da elettricità
Metanazione dell’idrogeno
Impianti esistenti
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IMPIANTI P2G
Potenza totale installata in impianti pilota Power-to-gas
Gahleitner G.,
Int. J. Hydr. Ener.,
38(5), february
2013
14 impianti sono attualmente in esercizio, con una tendenza ad incrementare la potenza installata.
Sono principalmente collocati in Germania (7), USA (6), Canada (5), Spagna (4) e UK (4).
Solo due impianti immettono idrogeno nell’infrastruttura del gas naturale: Falkenhagen (2013),
Werlte (2013, metananazione). Gli altri alimentano stazioni di rifornimento o effettuano stoccaggio e
riconversione locali (serbatoi + fuel cell).
ETICO – “Power-to-gas” - Guandalini Giulio32
IMPIANTI P2G
Potenza totale installata in impianti pilota Power-to-gas
Gahleitner G.,
Int. J. Hydr. Ener.,
38(5), february
2013
La tecnologia alcalina è prevalente a causa del minore costo di investimento e della maggior
esperienza industriale. I progetti in corso di realizzazione fanno riferimento prevalentemente a
elettrolizzatori alcalini, tuttavia l’utilizzo di celle PEM di grande taglia (MW) è previsto in alcuni casi.
La maggior parte degli impianti ha come scopo dimostrare l’efficacia della tecnologia P2G per il
bilanciamento della rete elettrica a fronte dell’aleatorietà di una fonte energetica rinnovabile.
ETICO – “Power-to-gas” - Guandalini Giulio33
E.ON – FALKENHAGEN P2G PLANT
Falkenhagen, Germany (2013, 2 MW, 360 Nm3H2/h)
ETICO – “Power-to-gas” - Guandalini Giulio34
ZSW– WERLTE P2G PLANT
Impianto di metanazione, Stoccarda, ZSW
ETICO – “Power-to-gas” - Guandalini Giulio35
ZSW– WERLTE P2G PLANT
ETICO – “Power-to-gas” - Guandalini Giulio36
ENERTRAG - AEROPORTO DI BERLINO
ETICO – “Power-to-gas” - Guandalini GiulioGrazie per
l’attenzione
www.gecos.polimi.it
ETICO – “Power-to-gas” - Guandalini Giulio38
RIFERIMENTI UTILI
EHA – European Hydrogen Association: www.h2euro.org
IEA – International Energy Agency: www.iea.org
GSE – Gestore del Sistema Elettrico: www.gse.it
NaturalHY EU Project wesite: www.naturalhy.net
POWER-TO-GAS:
www.gridgas.co.uk
http://www.dena.de/en/projects/renewables/power-to-gas-
strategy-platform.html
www.northseapowertogas.com
ETICO – “Power-to-gas” - Guandalini Giulio39
RIFERIMENTI
Beaudin M., Zareipour H., Schellenberglabe A. and Rosehart W., “Energy storage for mitigating the
variability of renewable electricity sources: An updated review”, Energy Sustain. Dev., 14(4), pp.
302–314, 2010.
Bajohr S., Götz M., Graf F. and Ortloff F., “Storage of renewable electric energy in the natural gas
infrastructure”, GWF-Gas Erdgas, pp. 200–211, April 2011.
EASEE - European Association for the Streamlining of Energy Exchange - gas, “Common Business
Practice - Harmonization of Natural Gas Quality”, CBP 2005-001/02, http://easee-
gas.eu/media/4085/cbp%202005-001-02%20_3.pdf [Last access October 2013], 2008.
Ursua A, Gandia LM, Sanchis P. Hydrogen Production From Water Electrolysis: Current Status and
Future Trends. Proceedings of the IEEE 2012;100:410-26.
M. Carmo, D. Fritz, J. Mergel, D. Stolten, A comprehensive review on pem water electrolysis,
International Journal of Hydrogen Energy 38 (12) (2013) 4901–4934
ETICO – “Power-to-gas” - Guandalini GiulioPuoi anche leggere
