Una strategia per l’idrogeno, dallaproduzione all’impiego

Franco Donatini

Enel - Ricerca

Torino – 7 Luglio 2006

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Alcune domande …

• Perché l’idrogeno ?

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Fonti fossili Fonti rinnovabili

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• Come produrlo ?

• Come e dove utilizzarlo ?

• Quali benefici ambientali?

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Perchè l’idrogeno ?

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Perché l’idrogeno…

Nel breve termineRidurre drasticamente l’impatto ambientale dell’autotrazione e deiprocessi distribuiti di conversione energetica

Nel medio termine

Rimuovere la CO2 durante il processo di produzione dell’idrogeno estoccarla in depositi permanenti

Possibilità di sfruttare l’energia elettrica prodotta nelle ore di bassarichiesta per produrre idrogeno con processi di elettrolisi da altaefficienza

Nel lungo termineRidurre la dipendenza energetica dai combustibili fossili, specie dalpetrolio, in modo compatibile con l’ambiente

Possibilità di stoccaggio energetico, indispensabile alla penetrazionedelle fonti rinnovabili

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Come andare verso l’idrogeno…

• Rendere cost-effective letecnologie di produzione,stoccaggio, distribuzione edutilizzo

• Introdurre veicoli e sistemi digenerazione nel mercatocommerciale entro il 2020

Le sfide…• UE– 2,8 mld Euro

– European Hydrogen and Fuel CellTechnology Platform

• USA– 1,2 mld $ in 5 anni

– FutureGen

• Giappone– 50.000 veicoli a idrogeno e 2.100

MWe a idrogeno entro il 2010

– WE-Net program; JapanHydrogen & FC DemostrationProject/METI

…gli impegni internazionali

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Come produrre l’idrogeno?

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La strategia Enel

ProduzioneDal carbone

Sviluppo di impianti di gassificazione integrati concentrali termoelettriche a carbone, sfruttando lesinergie impiantistiche e di processo

Da fonti rinnovabiliSviluppo di sistemi di elettrolisi ad alta efficienza e ditecniche innovative di stoccaggio, per sfruttarel’elettricità prodotta nelle a bassa richiesta energeticain centrali idro ad acqua fluente ed in prospettiva daaltre fonti

Integrazione e poligenerazione sono le parole chiave peruna produzione di idrogeno efficiente ed economica !!!

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Produzione dal carbone

Gassificazione del carbone con ossigeno e CO-shift per laconversione del syngas in idrogeno

- Elevata efficienza di produzione dell’idrogeno: ~ 60%

- Separazione totale dell’anidride carbonica

- Elevata complessità impiantistica ed alti costi

Pirolisi del carbone e reforming del syngas per la conversione inidrogeno

- Limitata complessità e costi di installazione ridotti

- Bassa efficienza di produzione, circa 20% in idrogeno

- Significativi recuperi energetici nella integrazione con le centrali

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Gassificazione del carbone con ossigeno…l’evoluzione di una tecnologia consolidata

ProduzioneOssigeno

PuliziaGas

Aria

O2

CO2 + H2

Vapore

COShift

SeparazioneGas

sifica

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N2

ProduzioneOssigeno

PuliziaGas

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Vapore

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Vapore

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La pirolisi del carbone…una nuova tecnologia per l’idrogeno

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Ref

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Carbone/Rifiuti

Vapore

Inerte +Char

Aria

CO2

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Vapore alla centraleAcqua

Inerte

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La pirolisi del carbone

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Frazione di Volatili

Re

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Rendim. (Idrogeno)

Rendim. totale

Antraciti

Ligniti

Carboni prevalenti

Biomasse

Rifiuti

Antraciti

Carboni sub-bituminosiLigniti

BiomasseRifiuti

Rendimenti del processo

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• Utilizzo di materiali innovativi

• Utilizzo di processi ad alta pressione

• Uso di membrane ad alta temperatura

• Ottimizzazione dell’integrazione di processo

Idrogeno da fonti rinnovabili

Obiettivo

Sviluppare processi di elettrolisi ad alta efficienza che rendanoeconomica la produzione di idrogeno, sia come combustibile, sia comesistema di accumulo dell’energia

Linee di azione

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Integrazione della produzione di idrogeno con le centrali

Gassificazione Ciclocombinato

Shift

Carbone Syngas Elettricità

Idrogeno

CO2

Gassificazione

• Integrazione con cicli combinati

• Possibilità di modulare la produzione di idrogeno a seconda deibisogni

Shift

CO2

Shift Idrogeno

CO2

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Integrazione della produzione di idrogeno con le centrali

Pirolisi

Centrale avapore

ReformingShift

Carbone Syngas

Elettricità

Idrogeno

CO2

CarboneChar,vaporeFumi

Pirolisi

• Integrazione con centrali a vapore

• Gli interscambi di vapore e la combustione del char residuonell’impianto termoelettrico consentono notevoli economie diprocesso

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Elettrolizzatore

StoccaggioPile a

combustibile

• Stoccaggio H2 nelle ore di bassa richiesta elettrica

• Produzione elettricità per la copertura dei picchi

• Accumulo energia naturale altrimenti non utilizzabile

• Possibilità di fornitura di idrogeno come combustibile

Integrazione della produzione di idrogeno con le centrali

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Come e dove utilizzarlo ?

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Generazione di elettricità (Cella SOFC pressurizzata)

Aria

C T ∼

C

Metano

catodoanodo

Fumi

SOFC

250 kWe

50 kWe

146 kWt

Aria

C T ∼

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Metano

catodoanodo

Fumi

SOFC

250 kWe

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146 kWt

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Generazione di elettricità (Ciclo avanzato a Idrogeno – Venezia)

• Sviluppo di combustoriin grado di bruciareidrogeno in aria aemissioni ridotte diossidi di azoto

• Incrementodell’efficienza diconversionedell’idrogeno

• Sfruttamento efficientedel caloreeventualmentecogenerato

CO GT GE

CC

Aria

Fumi 50°C

90 °C40°C

Potenza termica23 MWt

Potenza elettrica16 MWe

Vapore

450 - 500°C

Acqua

Idrogeno

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Quali benefici ambientali ?

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Capture & Storage

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La via dell’idrogeno

O2

Aria

N2

Carbone

O2

CarboneCO2, H2

CO2al sequestro

H2

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La sequestrazione

Stromberg 2001

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Una opportunità per la CO2

Anidride carbonica come “green feedstock” l’industria chimica

Punti chiave

• Utlizzazione chimica per produrre composti organici

• Conversione chimica in combustibili liquidi puliti per il settore deitrasporti

• Fissazione chimica o mineralizzazione in composti di potenzialeimpiego nelle costruzioni

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Concludendo …

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• Le fonti fossili possono essere decarbonizzate e quindi valorizzateattraverso l’idrogeno: il vantaggio della decarbonizzazione è significativoper il carbone; nel caso del metano l’energia deriva già per oltre il 50%dall’idrogeno contenuto

• Il carbone é una fonte disponibile ed affidabile per avviare il percorsotecnologico e politico verso l’economia dell’idrogeno

• Il carbone ha maggiore disponibilità e minor rischio geopolitico degli altriidrocarburi

• I processi di conversione dei combustibili fossili possono estendersi adaltre fonti quali ad esempio le biomasse , rifiuti, residui industriali ecc.

• La produzione dell’idrogeno dall’energia elettrica può consentirecontemporaneamente lo sfruttamento a questo fine delle fonti rinnovabilie l’accumulo elettrico per il servizio di punta

L’idrogeno da fossile…

… e non solo

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Lo scenario di lungo termine