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Motori a idrogeno per cogenerazione
Massimo Gozzi - La Termotecnica
Sommario
La cogenerazione che utilizza l'idrogeno come combustibile di alimentazione dei motori endotermici sta diventando importante nell'ambito della filiera energetica dell'idrogeno. Caratteristiche tecniche, esempi di applicazione.
Idrogeno da rinnovabili non programmabili
Nelle applicazioni stazionarie di generazione di potenza, alla base del funzionamento di un Cogeneratore sta un motore endotermico (un motore a pistoni, generalmente di derivazione automobilistica o autotrazione, nei casi di maggiore taglia dall'ambito navale). Il vapore e l'acqua surriscaldata vengono prodotti sfruttando il calore ad a alta temperatura che viene estratto dai fumi di scarico del motore, difficile però da ottenersi in quantità significativa con un motore endotermico. Ben maggiore quantità (più della metà del calore prodotto dall'impianto) deriva dall'acqua di raffreddamento del motore, quindi prossima ai 90°. Relativamente alla alimentazione di combustibile di questi motori, la quasi totalità sono funzionanti a gas naturale, mentre in subordine troviamo il biogas. Vedremo in questa sede le prospettive della alimentazione ad idrogeno dei motori endotermici per applicazioni stazionarie, come appunto la cogenerazione.
Negli ultimi anni si è assistito a numerose dichiarazioni di interesse per l'idrogeno. Per l'Europa il culmine è arrivato l'8 luglio 2020 con la comunicazione della Commissione "A Hydrogen strategy for a climateneutral Europe", che pone l'idrogeno come elemento chiave per un'economia a emissioni zero entro il 2050. Il tema di fondo più diffuso è che l'idrogeno - la cui combustione genera della semplice acqua e non la "climalterante" CO2 - possa essere realizzato dall'elettrolisi dell'acqua con fonti rinnovabili (essenzialmente produzione di energia elettrica da fotovoltaico ed eolico) dando quindi vita a quello che viene chiamato "idrogeno verde" (green Hydrogen). Le potenziali applicazioni dell'idrogeno sono note da decenni, ma la prospettiva è cambiata con l'espansione delle fonti rinnovabili, per loro natura non programmabili come, appunto, l'eolico ed il fotovoltaico, che richiedono per questo sistemi di stoccaggio. E proprio questo problema di simultaneità tra produzione e utilizzo (utilizzo locale o più in generale la richiesta della rete) può essere risolto anche convertendo questo surplus energetico sotto forma di idrogeno (attraverso l'utilizzo di elettrolizzatori), il cosiddetto "Power to Gas". L'elettrolisi, in effetti, è un processo estremamente energivoro e poco conveniente energeticamente, salvo il fatto di poter utilizzare la potenza elettrica prodotta dalle rinnovabili, che verrebbe comunque sprecata quando non utilizzata all'atto della sua generazione. Si può in questo caso immagazzinare sotto forma di idrogeno questo surplus di energia per utilizzarlo quando serve; le applicazioni possono andare dall'immissione nella rete del metano a percentuali variabili, all'utilizzo tal quale come combustibile per i motori di cogenerazione, come rappresentato in un esempio concreto nello schema di figura 2. Entrambe questi utilizzi sono gestibili dai motori, nella versione a metano come in quella a idrogeno.
Industria della birra
Un esempio concreto di Power to gas è il progetto di produzione di energia da cogenerazione ad idrogeno della cittadina tedesca di Haßfurt, circa 13.000 abitanti. Lo scopo è stato di dotare una porzione del comune di una piccola rete di teleriscaldamento ed energia elettrica da fonti rinnovabili, energia eolica in questo caso. Sfruttando la produzione elettrica notturna, che non trovava una simultaneità di consumo, è stato possibile trasformare tale energia in un elettrolizzatore da 1,25 MW per la produzione di idrogeno, che viene impiegato al 10% in miscela con il metano per l'alimentazione di cogeneratori esistenti a gas naturale presso una azienda locale che produce malto per la birra, il 5% viene inserita nella rete cittadina di gas naturale, il restante viene stoccato in serbatoi per l'alimentazione del cogeneratore ad idrogeno che va a garantire una cessione alla rete di 170 kWe/h e 183 kWt/h con emissioni di CO e CO2 praticamente azzerate.
La tecnologia della alimentazione ad idrogeno
Vediamo ora qualche dettaglio tecnico, ed in particolare come avviene la miscelazione fra combustibile e comburente. Confrontiamo in particolare il sistema di miscelazione dell'idrogeno con l'aria rispetto al caso ormai ampiamente diffuso della alimentazione quando il combustibile è il gas naturale. Bene, il mix fra aria e metano viene composto prima di entrare nel turbo compressore e di conseguenza prima di entrare in camera di combustione (figura 4). Vediamo invece come la miscela fra combustibile e comburente quando utilizziamo l'idrogeno avvenga, al contrario, nella testata del motore. L'introduzione dell'idrogeno, attraverso specifici iniettori, avviene direttamente, mentre l'apporto di aria per la miscela arriva dalle valvole di aspirazione. Quindi aria e idrogeno si mischiano nella testata del motore poco prima della compressione (figura 5). Un altro aspetto decisamente importante è rappresentato dalla flessibilità di funzionamento. È possibile infatti far funzionare in modo contemporaneo cogeneratori ad idrogeno anche a gas naturale con percentuali variabili di ogni singolo combustibile. Quindi il 100% di idrogeno può essere portato a 0% ed essere di conseguenza sostituito in parte o del tutto con il gas naturale, e ovviamente il viceversa. Questo può avvenire in modo completamente automatico attraverso il sistema di controllo, senza interventi meccanici o soste forzate. Ma ciò può avvenire soltanto se viene prevista in fase di costruzione una doppia rampa di alimentazione e distribuzione, quindi con la distinzione tra il collettore per l'iniezione dell'idrogeno ed il miscelatore da cui proviene invece il gas naturale.
Negli ultimi anni si è assistito a numerose dichiarazioni di interesse per l'idrogeno. Per l'Europa il culmine è arrivato l'8 luglio 2020 con la comunicazione della Commissione "A Hydrogen strategy for a climateneutral Europe", che pone l'idrogeno come elemento chiave per un'economia a emissioni zero entro il 2050. Il tema di fondo più diffuso è che l'idrogeno - la cui combustione genera della semplice acqua e non la "climalterante" CO2 - possa essere realizzato dall'elettrolisi dell'acqua con fonti rinnovabili (essenzialmente produzione di energia elettrica da fotovoltaico ed eolico) dando quindi vita a quello che viene chiamato "idrogeno verde" (green Hydrogen). Le potenziali applicazioni dell'idrogeno sono note da decenni, ma la prospettiva è cambiata con l'espansione delle fonti rinnovabili, per loro natura non programmabili come, appunto, l'eolico ed il fotovoltaico, che richiedono per questo sistemi di stoccaggio. E proprio questo problema di simultaneità tra produzione e utilizzo (utilizzo locale o più in generale la richiesta della rete) può essere risolto anche convertendo questo surplus energetico sotto forma di idrogeno (attraverso l'utilizzo di elettrolizzatori), il cosiddetto "Power to Gas". L'elettrolisi, in effetti, è un processo estremamente energivoro e poco conveniente energeticamente, salvo il fatto di poter utilizzare la potenza elettrica prodotta dalle rinnovabili, che verrebbe comunque sprecata quando non utilizzata all'atto della sua generazione. Si può in questo caso immagazzinare sotto forma di idrogeno questo surplus di energia per utilizzarlo quando serve; le applicazioni possono andare dall'immissione nella rete del metano a percentuali variabili, all'utilizzo tal quale come combustibile per i motori di cogenerazione, come rappresentato in un esempio concreto nello schema di figura 2. Entrambe questi utilizzi sono gestibili dai motori, nella versione a metano come in quella a idrogeno.
Industria della birra
Un esempio concreto di Power to gas è il progetto di produzione di energia da cogenerazione ad idrogeno della cittadina tedesca di Haßfurt, circa 13.000 abitanti. Lo scopo è stato di dotare una porzione del comune di una piccola rete di teleriscaldamento ed energia elettrica da fonti rinnovabili, energia eolica in questo caso. Sfruttando la produzione elettrica notturna, che non trovava una simultaneità di consumo, è stato possibile trasformare tale energia in un elettrolizzatore da 1,25 MW per la produzione di idrogeno, che viene impiegato al 10% in miscela con il metano per l'alimentazione di cogeneratori esistenti a gas naturale presso una azienda locale che produce malto per la birra, il 5% viene inserita nella rete cittadina di gas naturale, il restante viene stoccato in serbatoi per l'alimentazione del cogeneratore ad idrogeno che va a garantire una cessione alla rete di 170 kWe/h e 183 kWt/h con emissioni di CO e CO2 praticamente azzerate.
La tecnologia della alimentazione ad idrogeno
Vediamo ora qualche dettaglio tecnico, ed in particolare come avviene la miscelazione fra combustibile e comburente. Confrontiamo in particolare il sistema di miscelazione dell'idrogeno con l'aria rispetto al caso ormai ampiamente diffuso della alimentazione quando il combustibile è il gas naturale. Bene, il mix fra aria e metano viene composto prima di entrare nel turbo compressore e di conseguenza prima di entrare in camera di combustione (figura 4). Vediamo invece come la miscela fra combustibile e comburente quando utilizziamo l'idrogeno avvenga, al contrario, nella testata del motore. L'introduzione dell'idrogeno, attraverso specifici iniettori, avviene direttamente, mentre l'apporto di aria per la miscela arriva dalle valvole di aspirazione. Quindi aria e idrogeno si mischiano nella testata del motore poco prima della compressione (figura 5). Un altro aspetto decisamente importante è rappresentato dalla flessibilità di funzionamento. È possibile infatti far funzionare in modo contemporaneo cogeneratori ad idrogeno anche a gas naturale con percentuali variabili di ogni singolo combustibile. Quindi il 100% di idrogeno può essere portato a 0% ed essere di conseguenza sostituito in parte o del tutto con il gas naturale, e ovviamente il viceversa. Questo può avvenire in modo completamente automatico attraverso il sistema di controllo, senza interventi meccanici o soste forzate. Ma ciò può avvenire soltanto se viene prevista in fase di costruzione una doppia rampa di alimentazione e distribuzione, quindi con la distinzione tra il collettore per l'iniezione dell'idrogeno ed il miscelatore da cui proviene invece il gas naturale.
Passare ad alimentazione a idrogeno
Non solo esiste la possibilità di gestire i due combustibili a quantità variabili, ma i motori più evoluti che oggi stanno funzionando a gas metano, possono essere modificati nel corso della loro vita operativa per il passaggio ad alimentazione a idrogeno. In sostanza può essere realizzato l'"upgrading" da un combustibile all'altro, quindi un investimento originario per il funzionamento a metano può consentire con limitati investimenti e ridotti tempi di fruire della aumentata disponibilità di Idrogeno quando la filiera consentirà una maggiore fruibilità di questo combustibile. Tecnicamente il passare dal gas naturale all'idrogeno è possibile in qualsiasi momento, le modifiche coinvolgono pistoni, turbocompressori, iniettori per l'idrogeno, più altri dettagli; ma si tratta di azioni che possono essere realizzate in poco tempo e in modo da non interrompere a lungo la produzione di energia. Attualmente l'offerta completa dei motori a idrogeno prevede prodotti a 4 cilindri che partono dalla potenza di 115 kW elettrici, fino ai 12 cilindri che sviluppa 360 kW, passando per le altre due potenze di 170 e 240 (Figura 6). Diamo uno sguardo ora alle prestazioni, in termini di rendimento e potenza erogabile. Pur considerando la notevole differenza di potere calorifico dell'idrogeno rispetto al gas naturale, e attraverso un consumo del primo più elevato in termini di "normal metri cubi", vengono mantenuti rendimenti più che dignitosi. La parte elettrica si aggira intorno al 40%, mentre il rendimento globale non scende al di sotto del 80%. In base a quanto gas naturale sarà presente nel blend di alimentazione cambierà ovviamente la prestazione di potenza del motore. Relativamente alla potenza, si nota che la differenza di potenza si alza sensibilmente quando viene utilizzato il gas naturale come vettore energetico, mantenendo invece ragionevole la differenza per ciò che riguarda il rendimento. Il differenziale di costo, a parità di potenza erogata, risulta superiore per la versione a idrogeno dell'ordine del 20-25%. I cogeneratori a idrogeno non hanno bisogno di idrogeno puro, in quanto possono funzionare anche se il gas ha delle impurità al suo interno. A differenza delle celle a combustibile, che non hanno questa possibilità, i cogeneratori a idrogeno possono funzionare indistintamente a idrogeno puro, oppure in blend con il gas naturale o anche con il biogas. Il funzionamento è modulabile fino al 50% della potenza e possono funzionare in isola, ovvero sconnessi dalla rete elettrica generale.
Conclusioni
Con i cogeneratori ad idrogeno siamo già inseriti nella filiera dell'idrogeno, che consente di azzerare le emissioni di carbonio in atmosfera. Si tratta di uno sviluppo energetico che necessariamente dovrà fare sempre più affidamento sulle rinnovabili, ma fruirà ancora delle tecnologie più consolidate come i motori a pistoni. I motori oggi sul mercato possono passare in modo semplice e in tempi brevi all'alimentazione ad idrogeno, dimostrano una grande flessibilità di funzionamento grazie alla simultaneità delle alimentazioni a idrogeno e a metano. Rendimenti e potenze si mantengono soddisfacenti e i costi piuttosto contenuti.
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Parole chiave: Idrogeno
