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Rinnovabili al 20%? Isera ci sta provando Stampa E-mail
IN UN PICCOLO COMUNE DEL TRENTINO ANCHE UN IMPIANTO DIMOSTRATIVO AD IDROGENO

Negli ultimi decenni,il problema dell’inquinamento è divenuto una preoccupazione crescente; i mass media hanno bombardato il pubblico, dando continue notizie di catastrofi naturali causate dall’effetto serra. Come noto, tale fenomeno ha luogo negli strati più bassi dell’atmosfera, ad opera dei cosiddetti gas serra: i principali sono il vapore acqueo, l’anidride carbonica (CO2), l’ossido di azoto (N2O), il metano (CH4)e l’ozono (O3). Questi assorbono e diffondono in tutte le direzioni la radiazione infrarossa emessa dalla Terra, trattenendo il calore irraggiato dalla superficie terrestre riscaldata dal sole. Se non fossero presenti, la temperatura media sul nostro Pianeta sarebbe di circa -19 °C al posto della media effettiva di 14 °C. Il problema è che l’ammontare di CO2 in atmosfera, prodotta per combustione e deforestazione, è cresciuto quasi del 30 per cento dal periodo pre-industriale ad oggi, ed è in continuo aumento (nel 1850 ammontava a circa 280 ppm, nel 2006 a circa 380 ppm).

Alcuni numeri possono essere un buon punto di partenza per quantificare le possibili conseguenze: la temperatura media globale tra il 1850 e il 1859 era di circa 0,8 °C inferiore rispetto alla media registrata tra il 1998 e il 2007. Gli anni ‘90 sono stati la decade più calda registrata a partire dal 1850; l’anno più caldo è stato il 1998 e ben dodici dei tredici anni più caldi nella serie si sono registrati tra il 1995 e il 2007.
Gli effetti sono sotto gli occhi di tutti: i ghiacciai alpini e continentali, ad esempio, si sono ritirati. Dal 1850 al 1980 i primi hanno perso circa un terzo in superficie e la metà della massa; dal 1980 ad oggi hanno perso un altro 30-40 per cento in massa; la caldissima estate del 2003 ha provocato da sola la perdita del 10 per cento.
Per stabilizzare le emissioni di CO2 su valori accettabili sarebbe necessario ridurre, entro il 2050, le emissioni globali di circa un 45-60 per cento rispetto ai valori del 1990. Ovviamente sono necessarie anche forti riduzioni di tutti gli altri gas serra.
I Paesi industrializzati dovrebbero quindi ridurre le loro emissioni del 20 per cento entro il 2020, sia adottando una ragionevole politica di risparmio energetico, che significa in realtà un utilizzo più intelligente delle risorse energetiche, sia grazie allo sfruttamento massiccio delle fonti di energia rinnovabile (eolica, solare, geotermica, del moto ondoso, idroelettrica, biomassa). L ’uso del rinnovabile diventa quindi un imperativo piuttosto che una possibilità.

Tetto FV dell'asilo comunale a IseraL’amministrazione comunale di Isera, graziosa cittadina del Trentino con circa 2.600 abitanti, dal 1998 promuove e sviluppa l’energia fotovoltaica (FV). Ha realizzato pannelli FV da circa 48 kWp sulla copertura dell’asilo comunale e sono stati costruiti 11 “PV Lander ”, generatori mobili di energia, per un totale di circa 11 kWp.
Questi ultimi hanno suscitato grande curiosità e interesse, specialmente nei proprietari di edifici isolati in zone montane, e sono stati utilizzati per utenze non elettrificabili se non a costi molto elevati.


Nella stessa ottica, per illuminare alcuni tratti di viabilità secondaria, sono stati installati un centinaio di lampioni fotovoltaici di potenza pari a 150 W per ciascun elemento, anch’essi situati in zone difficilmente elettrificabili in modo convenzionale. Al momento l’energia raccolta dai pannelli è immagazzinata in batterie poste alla base dei pali, ma si sta pensando alla sostituzione delle stesse con sistemi di Lampioni FV in zone del Comune di Isera difficilmente elettrificabiliimmagazzinamento che impieghino il vettore idrogeno.


Lo stadio successivo, in fase di compimento, prevede la realizzazione di un progetto che l’amministrazione comunale ha messo a punto, in collaborazione con Autostrada del Brennero Spa, per la posa di un impianto FV che sfrutti, come dispositivi di sostegno per i pannelli, le barriere anti-rumore sul tratto autostradale della A22 che transita attraverso il proprio territorio.
I pannelli fotovoltaici ad alta efficienza potranno fornire una potenza nominale pari a 735 kWp. È prevista l’installazione di 3.500 moduli, per un totale di circa 4.400 metri quadri di superficie di impianto FV e una produzione di oltre 800.000 kWh annui. L’impianto vedrà lo sfruttamento di due tratti di barriere autostradali per una lunghezza superiore a 1 km. Le stime preliminari indicano che l’impianto potrebbe arrivare a coprire, da solo, il 20 per cento di tutto il fabbisogno annuale complessivo di energia elettrica delle utenze presenti all’interno del territorio comunale.

È noto che il processo di sfruttamento dell’energia solare da parte dei pannelli FV è limitato, essendo il rendimento dell’ordine del 10 per cento. Inoltre, l’eventuale eccesso di energia elettrica prodotta, se non è ceduto alle rete, pone il problema di essere immagazzinato. L’idea è quella di accumulare l’energia elettrica in eccesso producendo idrogeno tramite elettrolisi dell’acqua, per poi utilizzarlo come combustibile nel momento in cui il pannello FV non è in grado di fornire energia, ad esempio durante la notte. In questo senso si precisa giustamente che l’idrogeno non è fonte di energia, bensì vettore energetico.
L’H2 si può impiegare per ottenere energia nelle celle a combustibile, dispositivi che convertono l’energia chimica direttamente in energia elettrica avendo come unici sottoprodotti acqua e calore. L’energia elettrica prodotta può quindi alimentare motori elettrici con rendimenti di gran lunga superiori ai normali motori a combustione. Le celle a combustibile, scoperte nel lontano 1839, sono una tecnologia ormai matura, essendo state impiegate anche dalla Nasa fin dall’epoca delle missioni Apollo (nella tipologia PAFC).

L’H2 si trova principalmente legato sotto forma di acqua e di idrocarburi e quindi deve essere estratto per poter essere utilizzato in forma gassosa. L’elettrolisi dell’acqua non è inquinante e permette di scindere le molecole d’acqua in H2 e O2 gassosi ad alta purezza. Perché la reazione avvenga è necessario fornire corrente elettrica che si può ottenere dall’energia solare tramite pannelli FV.
Queste ragioni hanno fatto sì che in un serbatoio non più utilizzato dell’acquedotto di Reviano, nel Comune di Isera, sulle Colline della Vallagarina famose per il vino Marzemino, abbia preso il via il Progetto Idrogeno, fortemente voluto dall’Amministrazione comunale, condiviso dal Dipartimento di Fisica dell’Università di Trento (Laboratorio Id.E.A. Idrogeno Energia e Ambiente) e finanziato dalla Provincia Autonoma di Trento, Assessorato all’Energia.
L’obiettivo era quello di realizzare una struttura dimostrativa attorno alla quale attivare momenti formativi a vari livelli, attività sperimentali in collaborazione con Università, enti e aziende esterne, un sito in divenire dove poter sperimentare nuove tecnologie connesse all’impiego dell’H2.

All’esterno della struttura è stato realizzato un campo fotovoltaico con una potenza di circa 8,5 kWp. L’elettrolizzatore è alimentato dai pannelli. Si prevede, entro breve, l’ampliamento della potenza FV, sia con sistemi di concentrazione solare in via di realizzazione presso il Dipartimento di Fisica dell’Università di Trento, sia con tecnologie fotovoltaiche in fase di sperimentazione da parte di altri enti/aziende eventualmente interessati. I concentratori solari sono sistemi a basso costo che raccolgono la radiazione per inviarla su celle solari ad efficienza più alta di quelle attuali al silicio. L’esperienza in questo settore proviene dalla tecnologia spaziale, che impiega celle fotovoltaiche con rendimenti anche superiori al 30 per cento e in grado di mantenere tali rendimenti a temperature oltre 100-150 °C.
Locale adibito all'immagazzinamento dell'idrogenoAll’interno della struttura dell’ex-acquedotto sono stati installati gli impianti di produzione di idrogeno gassoso, compressione, immagazzinamento e utilizzo attraverso celle a combustibile. La struttura è composta da 4 locali: 3 sono adibiti alla zona macchine (sistemi di produzione/impiego dell’H2), alla zona di compressione e alla zona di controllo, uno è disponibile per attività future. Si pensa di sviluppare il sistema per farlo diventare unità di produzione di H2 e O2 ad alta purezza e di aggiungere una linea di sperimentazione su sistemi di immagazzinamento ad idruri metallici reversibili. Questi ultimi sono sistemi solidi, che hanno la capacità di immagazzinare il gas a densità anche 2-3 volte superiore a quella del liquido criogenico, superando così i problemi legati alla sicurezza e all’ingombro delle bombole. Per applicazioni stazionarie sono già disponibili degli idruri commerciali a base di leghe Ti-Fe o La-Ni. In opportune condizioni di pressione e temperatura, l’idrogeno è spontaneamente assorbito da questi sistemi che lo rilasciano in maniera controllata se riscaldati. La gestione del calore consente di regolare il flusso di idrogeno in uscita. Questo sistema è intrinsecamente sicuro poiché in caso di rottura dei “serbatoi” non si ha la fuoriuscita esplosiva del gas immagazzinato.

Attualmente, con l’energia elettrica derivante dal campo fotovoltaico si possono ottenere mediamente circa 6 Nm3/giorno di H2, ma l’aumento della potenza elettrica in ingresso consentirà di produrre quantitativi maggiori. L’H2 prodotto è compresso alla pressione massima di 35 bar mentre l’ossigeno, per il momento, è convogliato all’esterno. Per rendere sicura la zona in cui è prodotto e impiegato l’H2, sia all’interno delle macchine che all’esterno, e per escludere il generarsi di miscele H2 -O2 pericolose, è stato realizzato un efficiente sistema di ricircolo dell’aria con un ricambio di 2.500 m3/h. Per poter garantire il massimo livello di sicurezza sono stati installati i dispositivi tecnologicamente più avanzati reperibili sul mercato. I sensori sono tarati per dare un segnale di preallarme quando la concentrazione di H2 raggiunge un valore pari al 5 per cento del limite inferiore di esplosione, e un segnale di allarme nel caso arrivi al 10 per cento. Un sistema di supervisione (locale e remoto), grazie ad un controllo di processo ,consente di poter “seguire” tutti i componenti dell’impianto, l’acquisizione dei parametri di funzionamento e la gestione delle sicurezze. Possono essere simulati cicli di funzionamento automatici, abilitare i funzionamenti manuali e rendere inerte con azoto tutto l’impianto per la protezione dei suoi componenti nel caso in cui si dovesse affrontare un lungo periodo di sosta.

Qualora la quantità di H2 presente nei serbatoi non fosse sufficiente a soddisfare le richieste, è previsto un sistema alternativo per la fornitura del gas, concettualmente equivalente ad un generatore di continuità con le funzioni di unità di back up. Questo secondo generatore è in grado di produrre H2 ad alta purezza sfruttando la reazione chimica, spontanea ed esotermica, di idrolisi del sodioboroidruro (NaBH4) e un sistema di catalizzatori. La reazione d’idrolisi in ambiente alcalino (NaBH4 + 4 H2O p NaB(OH)4 + 4 H2 + calore) prevede che, inserendo un catalizzatore nella soluzione di NaBH4/NaOH/H2O, la molecola di sodioboroidruro reagisca con l’acqua, cedendo 4 atomi di H, mentre altri 4 derivino dalla scissione della molecola di acqua stessa. L’NaBH 4 conservato in soluzioni acquose a pH elevato, è un’ottima soluzione per l’immagazzinamento dell’idrogeno in termini volumetrici, gravimetrici, e in grado di risolvere i problemi di sicurezza per la conservazione e il trasporto del gas.
La reazione d’idrolisi consente di ottenere H2 con alti valori di flusso in un ampio intervallo di temperature, anche inferiori alla temperatura ambiente. Il prodotto di scarto della reazione è un elemento compatibile con l’ambiente e può essere recuperato, fornendo energia, per rigenerare NaBH4. La produzione massima del generatore, è di circa 3,8 Nm3/h di H2 alla pressione di 6 bar. L’H2 generato può alimentare una o entrambe le celle a combustibile, di tipo alcalino (AFC) o a membrana polimerica (PEMFC). La cella di tipo AFC, ad elettrolita liquido, ha una potenza elettrica di 2,4 kW, consuma 1,6 Nm3/h con un’efficienza che supera il 50 per cento e richiede una purezza dell’idrogeno del 99,9 per cento.

La cella PEM ha una potenza massima continuativa di 5 kW, tensione 230 V. Il consumo di H2 con una purezza di 99,995 per cento, alla massima potenza, è di circa 4,5 Nm3/h. Si è scelto di installare due tipi diversi di celle per un confronto delle relative performance. Nel locale, progettato per consentire l’immagazzinamento in completa sicurezza dell’H2 e realizzato con pareti di spessore superiore a 100 cm, l’idrogeno viene essiccato, purificato attraverso un reattore Deoxi, compresso alla pressione di 35 bar e immagazzinato in due serbatoi con capacità di 1 m3 cadauno. L’idrogeno accumulato nei serbatoi, prima di essere inviato alle celle a combustibile, viene ulteriormente filtrato. In definitiva, può essere immagazzinata una quantità di idrogeno pari a 75 Nm3 con una potenzialità di generare circa 100 kWh elettrici e circa 100 kWh termici.

 
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