MR/2009-1
ENTE PER LE
NUOVE TECNOLOGIE,
L’ENERGIA E L’AMBIENTE
Francesco Di Mario, Marina Ronchetti
ENEA, Dipartimento TER
Idrogeno e Celle a Combustibile:Stato dell’arte, tecnologie disponibili e
problematiche aperte
Giornata sulle Tecnologie del Ciclo dell’Idrogeno e sulle Celle a Combustibile
Brindisi, 7 aprile, 2009
MR/2009 - 2 Dipartimento TER
Indice
Idrogeno come vettore energetico e relative tecnologia
Celle a combustibile
Mercati attuali e scenari di sviluppo
Programmi internazionali ed europei
Programmi italiani e attività ENEA
MR/2009 - 3 Dipartimento TER
Perchè l’idrogeno come vettore energetico?
Fonte: World Fuel Cell Council, Nuvera
Sicurezza
approvvigionamento
energetico
Competitività
internazionale
Riduzione
gas serra
Inquinamento
locale
Stati Uniti
Giappone
Europa
Bassa Importanza Alta
Riduzione delle emissioni di gas
serra - inquinamento globale
Riduzione delle emissioni di
inquinanti locali
Diversificazione delle fonti primarie,
riduzione della dipendenza dalle
importazioni
Aumento della competitività
dell’industria con la creazione di
nuove opportunità ad alto valore
aggiunto
MR/2009 - 4 Dipartimento TER
Ciclo dell’idrogenoF
oss
ili
CGH2
LH2
Idrogenodotto
o trasporto su
strada
NUCLEARE
Rin
no
vab
ili
GAS NATURALE
Ossidazione parzialeOLI PESANTI / RESIDUI I RAFFINERIA
CARBONE
BIOMASSE
COLLETTORI SOLARI
ELETTRICITÀ
EOLICO, PV, IDROELETTRICO
Elettrolisi
Processi ad alta T
Processi termochimici
Processi foto-biologici
Elettrolisi
Reforming
Gassificazione
Gassificazione
Steam reforming (on site)
Elettrolisi (on-site)
Elettrolisi (on-site)
Trasporto
di LH2 su
strada
MR/2009 - 5 Dipartimento TER
Principali fattori che influiscono sullo sviluppo
dell’idrogeno
Sviluppo di tecnologie/combustibili alternativi
Fattori tecnologici (disponibilità, prestazioni e costi delle
diverse tecnologie necessarie per l’intero ciclo dell’idrogeno)
Fattori politici e socio-economici (politiche per riduzione CO2
e sicurezza approvvigionamenti, disponibilità delle risorse
necessarie, prezzo dei combustibili e tassazione sugli stessi,
informazione/educazione, standard e normative, ecc.)
MR/2009 - 6 Dipartimento TER
0
5
10
15
20
25
30
2000 2010 2020 2030 2040 2050
[EJ/
yr]
MAP100
MAP
MAP25
BASE
Influenza delle politiche per la riduzione della CO2 sulla
diffusione dell’idrogeno (IEA)
Incentivi per la riduzione della
CO2 equivalenti a:
- 100 $/t CO2 per MAP100
- 50 $/t CO2 per MAP
- 25 $/t CO2 per MAP25
MR/2009 - 7 Dipartimento TER
Produzione da fonti fossili
GAS NATURALE
PETROLIO
CARBONE
Reforming
Gassificazione
Ossidazione parziale
IDROGENO
Confinamento CO2
NECESSITÀ DI R&S Identificazione nuovi catalizzatori di reforming
Miglioramento dell’efficienza dei processi
Sviluppo di sistemi di separazione/purificazione
dell’idrogeno
Sviluppo di soluzioni per il confinamento e sequestro
della CO2 coprodotta (CCS)
Sviluppo di reformer di piccola taglia per produzione
on-site ed accoppiamento con impianti a celle a
combustibile
Le tecnologie di produzione sono mature, ma suscettibili di ulteriori miglioramenti da un punto
di vista energetico, ambientale e dei costi.
MR/2009 - 8 Dipartimento TER
Produzioni da rinnovabili
EOLICO, PV
BIOMASSE
SOLARE TERMODINAMICO
IDROGENO
BIOPRODUZIONE (es. alghe verdi)
Elettrolisi
Processi foto-biologici
Processi termochimici “neutral CO2”
Gassificazione
NECESSITÀ DI R&S
ELETTROLISI Miglioramento dell’efficienza del processo
Sviluppo materiali e processi per elettrolisi ad alta temperatura
Riduzione dei costi del sistema (attraverso miglioramenti dei processi di fabbricazione,
semplificazione dell’ingegneria d’impianto)
GASSIFICAZIONE BIOMASSE Ottimizzazione dell’affidabilità, rese e costi del processo
Nuove configurazioni d’impianto per integrazione con processi di separazione CO2
Preparazione e logistica delle materie prime
PROCESSI TERMOCHIMICI Dimostrazione dei cicli termochimici più promettenti su scala pilota
Messa a punto di processi di separazione idrogeno/ossigeno
PRODUZIONE DA SORGENTI
BIOLOGICHE
Studio dei processi con selezione delle specie organiche (microrganismi, alghe) coinvolte
Dimostrazione su scala pilota
MR/2009 - 9 Dipartimento TER
Produzione idrogenoCosti attuali ed obiettivi di costo DoE ($/gge*)
Breve termine: Produzione distribuita
Gas naturale
Elettrolisi
Bio-derivati liquidi
Lungo termine: Produzione centralizzata
Gassificazione biomasse
Elettrolisi EE da eolico
Gassificazione del carbone con CCS
Nucleare
Cicli termochimici - Solare alta temperaturaTARGET DI COSTO
TARGET DI COSTO
Milestone futuri
Milestone futuri
*1 gge (gallon of gasoline equivalent) è circa uguale a 1 kg di H2
MR/2009 - 10 Dipartimento TER
Distribuzione e trasporto dell’idrogeno
WaziersWaziers
Lille
IsberguesIsbergues
FeluyFeluy
CharleroiCharleroi Liege
Genk
Dordrecht
Rotterdam
NETHERLANDS
BELGIUMFRANCE
AntwerpAntwerp
Gent
BergenBergen--opop--ZoomZoom
Maubeuge
Zeebrugge
RozenburgRozenburg
TerneuzenTerneuzen
Geleen
Mons
DunkirkDunkirk
Brussels
WaziersWaziers
Lille
IsberguesIsbergues
FeluyFeluy
CharleroiCharleroi Liege
Genk
Dordrecht
Rotterdam
NETHERLANDS
BELGIUMFRANCE
AntwerpAntwerp
Gent
BergenBergen--opop--ZoomZoomBergenBergen--opop--ZoomZoom
Maubeuge
Zeebrugge
RozenburgRozenburgRozenburgRozenburg
TerneuzenTerneuzen
Geleen
Mons
DunkirkDunkirk
Brussels
L’idrogeno è
attualmente distribuito
in forma liquida e
come gas compresso,
utilizzando carri
bombolai o
idrogenodotti. I tube trailers
possono essere
utilizzati come
sistemi di accumulo
presso l’utente o
alla stazione di
servizio
Tube trailer (1.000-6.000 Nm3 CH2)
Carri bombolai (39.000 Nm3)Capacità 10 Nm3, 200 bar
Rete di 720 km in USA e 1500 km in Europa
I gasdotti utilizzati sono costruiti in acciaio ed operano a pressioni di 10-20 bar, con un diametro di 25-30 cm
MR/2009 - 11 Dipartimento TER
Stazioni di rifornimento idrogeno
Gas naturale
Energia elettrica
Cella a combustibile
Calore
STAZIONE TOTAL ENERGY
Steam reforming
Purificazione
Accumulo
H2 compresso H2 compresso
Gas naturale H2
Steam reforming
Energia elettrica
Acqua
H2Purificazione
Elettrolisi
Compressore
Purificazione (PSA)
Accumulo
H2 compresso H2 compresso
PRODUZIONE ON-SITE
Pompa e
vaporizzatore
Compressore
Trasporto H2 liquido
Trasporto H2 compresso
Idrogenodotto
Accumulo
H2 liquido
Accumulo
H2 compresso H2 compresso
H2 liquido
PRODUZIONE CENTRALIZZATA
Nord America
72
Europa45Giappone
15
Resto del mondo
16
Sono operative circa 150 stazioni
di rifornimento idrogeno e 78 sono
in corso di realizzazione
ESEMPI DI
STAZIONI DI
RIFORNIMENTO
MOBILI
MR/2009 - 12 Dipartimento TER
Accumulo di idrogeno Applicazioni veicolari
Idruri (metallici, chimici e complessi)
Adsorbimento in solidi
(nanostrutture di carbonio,
MOF=Metal-Oxide Framework)
Idrogeno compresso
Idrogeno liquido in
serbatoi criogenici
Efficienza energetica
Pesi/ingombri compatibili con l’autonomia richiesta
Condizioni operative compatibili con l’applicazione
Vita ciclica
Costo di acquisto e gestione
Sicurezza e standardizzazione dei componenti
Sistemi misti criogenici/pressurizzati
Serbatoi in pressione consentono di ridurre le perdite
dei serbatoi di H2 liquido (boil-off), si adattano con
flessibilità alle esigenze di rifornimento, comportandosi
come un serbatoio in pressione o di accumulo di
idrogeno liquido o una combinazione dei due sistemi
in funzione dell’uso
Serbatoi “conformabili” adattabili più
facilmente agli spazi disponibili nel veicolo
Nuovi concetti per il sistema di accumulo
Criteri di scelta del sistemaSistemi di accumulo convenzionali
Serbatoio conformabile
Quantum-Thiokol (700 bar)
Serbatoio criocompresso
( LLNL )
Sistemi di accumulo innovativi
MR/2009 - 13 Dipartimento TER
Accumulo idrogeno
Obiettivi e stato della tecnologia
Idrogeno compresso a 350 bar - 2008
Densità gravimetrica: 2.8 -3.8%
Densità volumetrica: 17 g/L
Costo: 17 $/kWh
Idrogeno compresso a 700 bar - 2008
Densità gravimetrica: 2.5 - 4.4%
Densità volumetrica: 18 - 35 g/L
Costo: 27$/kWh
Idrogeno liquido - 2008
Densità gravimetrica: 5.1 – 6.5%
Densità volumetrica: 22- 36 g/L
Costo: 8 $/kWh
Materiali solidi (adsorbenti) - 2008
Densità gravimetrica: 3%
Densità volumetrica: 14- 19 g/L
Costo: 15.6 $/kWh
Obiettivi 2010Idrogeno
compresso
Idruri
chimici
Idruri
metalliciSolidi
Volume
(1,5 kWh/L)
Peso
(2,0 kWh/kg)
Costo
(4 $/kWh)
Tempo di rifornim.
(3 min per 5 kg)
Durata
(1000 cicli)
Alte Medio-alte Medie Basse
Difficoltà di raggiungimento dell’obiettivo
Caratteristiche
del sistemaObiettivo 2010 Obiettivo 2015
Densità gravimetrica 6% 9%
Densità volumetrica 1.5 kWh/L (45 g/L) 2.7 kWh/L (81g/L)
Costo 4 $/kWh 2 $/kWh
Fonte: S. Satyapal et al. Programma DoE
Stato della tecnologia(Programma DoE)
MR/2009 - 14 Dipartimento TER
Utilizzo dell’idrogeno
Celle a combustibile
Motori a combustione interna
Celle a combustibile
Turbine
Celle a combustibile
MR/2009 - 15 Dipartimento TER
Indice
Idrogeno come vettore energetico e relative tecnologia
Celle a combustibile
Mercati attuali e scenari di sviluppo
Programmi internazionali ed europei
Programmi italiani e attività ENEA
MR/2009 - 16 Dipartimento TER
Cosa è una cella a combustibile
E’ un dispositivo elettrochimico
che converte direttamente l’energia
di un combustibile in elettricità e
calore, senza passare attraverso
cicli termici e quindi senza risentire
delle limitazioni imposte a questi
ultimi dalla termodinamica (Carnot)
Conversione elettrochimica
Potenza
elettricaCalore
IDROGENO
(combustibile)
OSSIGENO
(aria)+ ACQUA
MR/2009 - 17 Dipartimento TER
Temperatura: 60-120 °C
Stato tecnologia: 5-150 kW
Mercati: Usi speciali (militari, spaziali)
Trasporto
Celle alcaline, AFC
Temperatura: 160-220 °C
Stato della tecnologia: 50 kW - 1 MW
Impianti fino a 11 MW
Applicazioni: Cogenerazione commerciale
Generazione distribuita
Temperatura: 70-100 °C
Stato tecnologia: 1-250 kW
Applicazioni: Trasporto
Residenziale
Premium power
Generazione remota
Celle ad elettrolita polimerico, PEFC
Temperatura: 600-650 °C
Stato della tecnologia: 100 kW - 3 MW
Applicazioni: Cogenerazione commerciale
Generazione distribuita
(impianti fino a 20 MW)
Celle a carbonati fusi, MCFC
Temperatura: 900-1000°C
Stato della tecnologia: 50 kW- 1 MW
Applicazioni: Cogenerazione commerciale
Generazione distribuita
(impianti fino a 20 MW)
Trasporto (APU)
Celle ad ossidi solidi, SOFC
Temperatura: 70-100 °C
Stato tecnologia: < 2 kW
Applicazioni: Generazione portatile
Elettronica di consumo
Celle metanolo diretto, DMFC
Tipi di celle a combustibile
Celle ad acido fosforico, PAFC
MR/2009 - 18 Dipartimento TER
Sistemi con celle a combustibile
CombustibileCELLA
A
COMBUSTIBILEFUEL
PROCESSOR
CONDIZIONAMEMTO
POTENZA ELETTRICAPotenza
AC
Potenza
DCGas
ricco-H2-
Vapore
Aria
Acqua
Esausto
Calore Cogenerazione o Bottoming Cycle
MR/2009 - 19 Dipartimento TER
Caratteristiche generali
dei sistemi con celle a combustibile
Elevata efficienza di conversione
Rendimento quasi indipendente dal
carico e dalla taglia dell'impianto
Flessibilità nell'uso dei combustibili
Impatto ambientale ridotto, con
emissioni trascurabili e bassa
rumorosità
Modularità
Facilità di localizzazione
Rapida risposta al variare del carico
PureCell 200 DFC 300MA
Emissioni impianti di diversa tipologia
MR/2009 - 20 Dipartimento TER
Obiettivi e barriere
TRASPORTO
- 50-100 €/kW
- 5.000 ore di durata
GENERAZIONE STAZIONARIA
-1.000-1.500 €/kW
- 40.000 ore di durata
OBIETTIVI
STATO DELL’ARTE
TRASPORTO
- 3.000-4.000 €/kW
- 2.300 ore di durata
GENERAZIONE STAZIONARIA
- 3.000-8.000 €/kW
- 40.000 ore di durata (alcuni impianti PAFC)
Trasporto
Generazione
stazionaria
COSTO STACK $/kW – PROGRAMMA
DOE(sistema da 80 kW a idrogeno, per usi nel trasporto
proiezioni per 500.000 unità/anno)
Fonte: Programma DoE (USA),2008
DURATA, ore
MR/2009 - 21 Dipartimento TER
Celle ad elettrolita polimerico (PEFC)
MATERIALI DEI COMPONENTI DI CELLA
Anodo
Catodo
Elettrodi a diffusione gassosa costituiti da uno strato diffusivo (carbone + PTFE) ed uno strato catalitico
(C/PTFE-catalizzatore) su supporto di carbon paper o carbon cloth
Catalizzatore: platino o una sua lega (Pt-Ru) supportato su carbone
Carico di Pt: 0,2-0,4 mg/cm2
Elettrolita Membrana solfonica perfluorurata (del tipo Nafion). Spessore: 50-200 m
Piatti bipolari Grafite o in qualche caso materiale metallico
Temperatura 70 - 100 °C
VANTAGGI
Bassa temperatura operativa
Rapidi tempi di avviamento
Elevata densità di potenza
NECESSITÀ DI R&S
Nuovi catalizzatori per lo sviluppo di elettrodi a basso carico di metallo nobile
Sviluppo di anodi con maggiore tolleranza al CO
Sviluppo di membrane in grado di operare a temperature > 100°C
Ottimizzazione delle gestione dell’acqua all’interno della cella
Nuove configurazioni di impianto per una migliore integrazione cella/sistema di riforma del combustibile
MR/2009 - 22 Dipartimento TER
Celle ad elettrolita polimerico (PEFC)Applicazioni stazionarie
Efficienza: 37-40 %
Combustibile: idrogeno,gas naturale, GPL
Reforming del combustibile: esterno
Stato della tecnologia
Sistemi CHP 1-5 kW per usi residenziali e potenza di back-up
Sistemi di generazione cogenerazione fino a 250 kW
Generatori portatili < 1 kW
Attività dimostrative
Large Scale Fuel Cell Demonstration Project (Giappone): Sistemi residenziali da 1 kW alimentati con diversi combustibili (3307unità installat tra il 2005 e il 2008)
DoD Residential PEFC Demonstration Programme (USA): 91 unità di potenza 1-5 kW in 56 siti militari
Unità 1-5 kW in prova come sistemi di back-up presso diversi utenti (aziende di telecomunicazioni, data center, ecc.)
Sistemi da 50 e 120 kW installati presso impianti chimici dove l’idrogeno è disponibile come sottoprodotto (es. impianti cloro-soda)
Principali costruttori
Ballard Power Systems/Ebara, Hydrogenics, IdaTech, Intelligent Energy, Nuvera Fuel Cells, Plug Power, ReliOn, Toshiba Fuel CellPower Systems, Fuji Electric, Panasonic, Eneos CellTech (JV Sanyo/Nippon Oil) , Tokyo Gas, Exergy Fuel Cells, NedStack
MR/2009 - 23 Dipartimento TER
Celle ad elettrolita polimerico (PEFC)Applicazioni nel trasporto
Stato della tecnologia
Stack e sistemi fino a 250 kW
Attività dimostrative
• Controlled Hydrogen Fleet and Infrastructures Demonstration and Validation Project (2004-2009,Programma DOE, USA)
• California Fuel Cell Partnership (1999-2012, USA)
• Japan Hydrogen & Fuel Cell Demonstration Project (2002-2010 ,Giappone)
• Progetti Europei (6FP): HyFleet:CUTE, HyCHAIN Minitrans, Zero Regio
• Clean Energy Partnership (2004-2010, Germania)
• London Hydrogen Transport Programme (2006-…, Regno Unito)
Principali costruttori
Ballard Power Systems, CEA, General Motors, Honda Motors, Hydrogenics, Nuvera Fuel Cells, ToyotaMotors, UTC Power
MR/2009 - 24 Dipartimento TER
Celle ad acido fosforico (PAFC)
VANTAGGI
Buona efficienza in cogenerazione
Buona affidabilità e durata
NECESSITÀ DI R&S
Studio di elettrodi con maggiore tolleranza al CO
Riduzione dei costi attraverso lo sviluppo di nuovi materiali e processi di fabbricazione dello stack e del sistema completo
MATERIALI DEI COMPONENTI DI CELLA
AnodoPlatino legato a PTFE su supporto di carbone (Vulcan XC-72)
Contenuto Pt: 0,10 mg/cm2
CatodoPlatino legato a PTFE su supporto di carbone (Vulcan XC-72)
Contenuto Pt: 0,5 mg/cm2
Elettrolita 100% H3PO4 su matrice amorfa (PTFE-SiC)
Piatti bipolari Grafite
Temperatura 160 - 220 °C
MR/2009 - 25 Dipartimento TER
Celle ad acido fosforico (PAFC)
Efficienza: 40-50 %
Combustibile: idrogeno, idrocarburi riformati, gas di discarica
Reforming del combustibile: esterno
Stato della tecnologia
Impianti per cogenerazione da 100-400 kW per i settori residenziale e terziario
Impianti commerciali da 200 kW (PureCell TM200)
Attività dimostrative
Oltre 300 unità da 100 e 200 kW installate in USA e Giappone
Programma Department of Defense (USA): 30 impianti PureCellTM200 installati tra il 1994 e il 1997 in diversi siti militari
In Giappone presso aziende energetiche in passato hanno operato impianti di potenza 1-11 MW;un impianto da 1.3 kW esercito inItalia (1995-1998)
Costruttori
UTC Power e HydroGen Corp. negli Stati Uniti, Fuji Electric e Toshiba Fuel Cell Power Systems in Giappone
MR/2009 - 26 Dipartimento TER
Celle a carbonati fusi (MCFC)
MATERIALI DEI COMPONENTI DI CELLA
Anodo Nichel-Cromo o Ni-Alluminio; area superficiale 0,1-1 m2/g; spessore 0,2-0,5 mm
Catodo NiO litiato-MgO, area superficiale 0,5 m2/g; spessore 0,5-1 mm
Elettrolita Li2CO3 - K2CO3 62-38% o Li2CO3 –Na2CO3 60-40%; spessore 0,5-1 mm
Supporto elettrolita Matrice di -LiAlO2 o -LiAlO2; area superficiale 0,1-12m2/g; spessore 0,5-1 mm
Piatti bipolari Leghe metalliche (Incoloy 825, acciaio 310S o 316) con rivestimenti protettivi
Temperatura 600-650°C
VANTAGGI
Alta efficienza
Disponibilità di calore ad alta temperatura per usi in cogenerazione e trigenerazione
Possibilità di reforming interno
NECESSITÀ DI R&S
Sviluppo di componenti di cella (elettrodi e piatti bipolari) più stabili nelle condizioni di funzionamento della cella
Studio dei meccanismi di avvelenamento della cella da parte di contaminanti presenti nel gas di alimentazione
Ottimizzazione dell’ingegneria dell’impianto e sviluppo di componenti ottimizzati dal punto di vista delle dimensioni e delle prestazioni
MR/2009 - 27 Dipartimento TER
Celle a carbonati fusi (MCFC)
Efficienza: 45-55%Combustibile: idrocarburi riformati, biogas, gas da carboneReforming del combustibile: interno / esterno
Stato della tecnologia
Impianti per generazione di energia e cogenerazione fino a 3 MW
In sviluppo sistemi multi-MW
Attività dimostrative
In esercizio impianti da 250 kW, 1,2 MW e 2,4 MW alimentati con diversi combustibili (gas naturale e biogas) in Nord America,Giappone, Corea ed Europa
Sistemi ibridi MCFC/turbina a gas (potenza < 300 kW) dimostrati in Stati Uniti, Giappone Italia
Costruttori
Fuel Cell Energy e GenCell negli Stati Uniti; CFC Solutions e Ansaldo Fuel Cells in Europa; Ishikawajima_Harima Heavy Industriese Maruben in Giappone; KEPCO in collaborazione con Posco Power in Corea
MR/2009 - 28 Dipartimento TER
Celle a combustibile
Sistemi MCFC - Applicazioni stazionarie
9.772
8.259
6.254
4.800 3.840
4.300
3.440
20.000
3.250
0
5.000
10.000
15.000
20.000
25.000
1996-97 2003 2004 2005 2006 2007 2008
$/k
W
< MW 1,2 MW 2,4 MW
Costi ottenuti nel 2006 su unità DFC 3000 da 2.4 MW
Progressi nella riduzione dei costi
Tecnologia FuelCell Energy
MR/2009 - 29 Dipartimento TER
Celle ad ossidi solidi (SOFC)
MATERIALI DEI COMPONENTI DI CELLA
Anodo Cermet Ni-ZrO2; spessore 150 m porosità 20 - 40 %.
Catodo La(Sr)MnO3; spessore 2 mm; porosità 30-40 %
Elettrolita ZrO2(Y2O3) ; spessore 30-40 m
Interconnessione La(Mg)CrO3; spessore 100 m
Temperatura 900-1000°C
VANTAGGI
Alta efficenza
Possilità di reforming interno
Disponibilità di calore ad alta temperatura per cogenerazione e trigenerazione
NECESSITÀ DI R&S
Sviluppo di componenti di cella con maggiore stabilità nelle condizioni di funzionamento e resistenza ai cicli termici
Sviluppo di celle a minore temperatura (600-800°C)
Studio dei meccanismi di avvelenamento da parte di contaminanti presenti nel gas di alimentazione
Sviluppo dell’ingegneria di stack e di sistema
MR/2009 - 30 Dipartimento TER
Celle a ossidi solidi (SOFC)
Efficienza: 45-60 %,
Combustibile: idrocarburi, gas da carbone
Reforming del combustibile: interno / esterno
Stato della tecnologia
Impianti per cogenerazione fino a 220 kW
Sistemi per usi residenziali di potenza < 5 kW
Generatori portatili < 1 kW
Attività dimostrative
Programma SECA (Solid State Energy Conversion Alliance, USA): sviluppo di sistemi di potenza 3-10 kW
Progetti NEDO (Giappone): dimostrazioni di sistemi per usi residenziali (2007: 32 unità CHP da 700 W - 2 kW)
Operativi diversi sistemi di potenza < 5 kW e impianti per cogenerazione di potenza fino a 220 kW
Principali costruttori
Siemens Power Generations, Acumentrics, Ceramics Fuel Cells, Hexis AG, Kyocera/Osaka Gas, Mitsubishi Heavy Industries,Mitsubishi Materials/Kansai Electric Power Co., Tokyo Gas, VersaPower, Wärtsilä Corp., SOFCPower
MR/2009 - 31 Dipartimento TER
Celle a metanolo diretto (DMFC)
MATERIALI DEI COMPONENTI DI CELLA
Anodo Elettrodi di carbone con catalizzatore a base di Pt/Ru (2-4 mg/cm2)
Catodo Elettrodi di carbone con catalizzatore a base di Pt (2-4 mg/cm2)
Elettrolita Membrana solfonica perfluorurata
Piatti bipolari Grafite
Temperatura 70- 100°C
VANTAGGI
Bassa temperatura operativa
Uso diretto del combustibile
NECESSITÀ DI R&S
Sviluppo di elettrocatalizzatori per l’ossidazione elettrochimica del metanolo
Studio di nuove membrane in grado di funzionare a T> 100°C
Studio del decadimento delle prestazioni di cella legato agli effetti dovuti al trasporto del metanolo attraverso l’elettrolita (crossover)
Miniaturizzazione del sistema ed alimentazione
MR/2009 - 32 Dipartimento TER
Celle a metanolo diretto (DMFC)
Efficienza: 35-40 %
Combustibile: metanolo
Stato della tecnologia
In sviluppo sistemi per elettronica di consumo e usi militari < 100 W
Prototipi di generatori portatili per usi civili < 2 kW
Attività dimostrative
Programma DoE (USA): Sviluppo di sistemi per applicazioni nell’elettronica di
consumo (<50 W)
Sviluppo e dimostrazione sul campo di dispositivi portatili per usi militari
Principali costruttoriMesoscopic Devices, MTI MicroFuel Cells, Neah Power Systems e Ultracell negli USA,Smart Fuel Cells in Europa, Hitachi, Motorola Labs, NEC, Sanyo Electric e Toshibain Giappone e Samsung Advanced Institute of Technology in Corea
0
5000
10000
15000
20000
25000
2005 2006 2007 2008
Nord AmericaEuropaAsiaResto del Mondo
0%
20%
40%
60%
80%
100%
2005 2006 2007
PEFC
DMFC
Sistemi portatili
MR/2009 - 33 Dipartimento TER
Indice
Idrogeno come vettore energetico e relative tecnologia
Celle a combustibile
Mercati attuali e scenari di sviluppo
Programmi internazionali ed europei
Programmi italiani e attività ENEA
MR/2009 - 34 Dipartimento TER
Sviluppo celle a combustibileNumero di unità consegnate per applicazione ed area geografica
0
5000
10000
15000
20000
25000
30000
35000
2005 2006 2007 2008 2009
Sistemi stazionari
Nord America Europa Asia Resto del Mondo
0
2000
4000
6000
8000
10000
12000
14000
16000
2005 2006 2007 2008 2009
Sistemi per trasporto
Nord America Europa Asia Resto del Mondo
Fonte: Fuel Cell Today, Industry Review2008
MR/2009 - 35 Dipartimento TER
Sviluppo celle a combustibileSistemi per applicazioni stazionaria per tipologia di cella
Fonte: Fuel Cell Today, Industry Review2008
100%
80%
60%
40%
20%
0%
2003 2004 2005 2006 2007
PEFC
SOFC
AFC
Sistemi < 10 kW
80%
60%
40%
20%
0%2003 2004 2005 2006 2007 2008
MCFC PAFC PEFC SOFC
Sistemi >10 kW
MR/2009 - 36 Dipartimento TER
Scenari idrogeno al 2050
Sorgente energia
primaria
Steam reforming di piccola taglia ed elettrolisi
Sistemi CHP industriali alimentati principalmente con gas naturale o syngas
Processo di
conversione
Combustibili fossili
Gassificazione del carbone (con CCS)
On-site
Centralizzato
Rinnovabili (principalmente biomasse ed eolico) ed EE da nucleare
Elettrolisi di grossa taglia (con EE da eolico e nucleare)
Gassificazione delle biomasse (con CCS)
Facility distribuite (reti idrogeno locali)
Trasporto
Reti di distribuzione integrate (centralizzate-distribuite)
Trasporto su strada e ferrovia
Stazionario
Veicoli a idrogeno a celle a combustibile
Veicoli a idrogeno ibridiVeicoli a idrogeno con motore a combustione interna
Distribuzione
Utilizzo
Sistema di produzione
2020 2030 2040 2050Fonte: Road2HyCom, Sett. 2007
MR/2009 - 37 Dipartimento TER
Indice
Idrogeno come vettore energetico e relative tecnologia
Celle a combustibile
Mercati attuali e scenari di sviluppo
Programmi internazionali ed europei
Programmi italiani e attività ENEA
MR/2009 - 38 Dipartimento TER
UNIONE EUROPEA
7 Programma Quadro
Fuel Cell and Hydrogen Joint Undertaking (FCH JU)
Finanz. pubblico: 6FP (2002-2006) ~ 315 M€
FCH JU (2008-20013) ~ 470 M€
USA
DoE Hydrogen Program
• EERE Office - Hydrogen, Fuel Cells & Infrastructure
Technologies Program
• Office of Fossil Energy - Hydrogen from Coal –
- Solid State Energy Conversion Alliance Program
• Office of Nuclear Energy - Nuclear Hydrogen
• Office of Science - Basic Research Needs for the Hydrogen
Economy
California Fuel Cell Partnership
Finanz. pubblico: DoE (2004-2008) ~ 900 M€
DoE FY 2009 (ricjhiesta) ~ 210 M€
GIAPPONE
Hydrogen and Fuel Cells R&D – METI Program
METI-NEF • Sviluppo tecnologie di produzione, distribuzione ed
accumulo H2 production
• Dimostrazione sistemi a celle a combustibile per usi
residenziali
METI - JARI and ENAA• Japan Hydrogen & Fuel Cell Demonstration Project
Finanz. pubblico: METI (2001-2008) ~ 1800 M€
FY 2009 (request) ~ 230 M€
ITALIA
FISR Program (2005-2009) - Tecnologie H2 e
celle a combustibile
• Programma Industria 2015
Finanz. pubblico: FISR (2005-2009) ~ 90 M€
Industria 2015 ~ 30 M€
COREA
Hydrogen and Fuel Cell RD&D (MOCIE, 2004-2008)
21st Frontier Hydrogen Energy R&D Program
(MOST, 2003-2013)
Finanz. Pubblico: MOCIE 420 M€
MOST 75 M€
NATIONAL RD&D ORGANIZATION
for HYDROGEN AND FUELCELL
CINA
863 Program (MOST) – Idrogeno e celle a
combustibile
973 Program (MOST) - Ricerca di base su
H2 e celle a combustibile
Finanz. pubblico: 973 Program ~ 5 M€ (2000-2008)
Idrogeno e Celle a CombustibileSituazione internazionale
REGNO UNITO
Diversi progetti a livello nazionale e regionale
• Hydrogen, Fuel Cells and Carbon Abatement
Technologies Demonstration Program (2007-2010)
Finanz. pubblico: 2005-2007 ~ 39 M€
CANADA
Hydrogen and Fuel Cell R,D&D
Finanz. pubblico: ~ 25 M€ /anno
FRANCIA
National Hydrogen and Fuel Cell Action Plan
(PAN-H, 2006-2010)
H2E Project (7 anni) ~ 68 M€
Finanz. pubblico: 2008 - 35 M€
GERMANIA
National Innovation Program
R&S idrogeno e celle a combustibile
Finanz. pubblico: 2007-2016 ~ 700 M€
MR/2009 - 39 Dipartimento TER
Tematiche di R&D in diversi programmi relativi ad
idrogeno e celle a combustibile
Aree/Argomenti CE USA Giappone Germania Francia UK Italia
CE
LL
EA
CO
MB
US
TIB
ILE
PEFC ed applicazioni nel
trasporto
SOFC
MCFC
Materiali e componenti
(inclusi stack e fuel processor)
Ricerche su altre tecnologie di
cella
IDR
OG
EN
O
Produzione
Accumulo
Altre ricerche sull’idrogeno(incluse attività su sicurezza e
standard)
Livello di finanziamento Alto
(> 30 % dei finanziamenti totali
idrogeno/celle a combustibile)
Medio
(> 15 % dei finanziamenti totali
idrogeno/celle a combustibile)
Limitato
(< 15 % dei finanziamenti totali
idrogeno/celle a combustibile)
MR/2009 - 40 Dipartimento TER
Programmi Idrogeno e Celle a Combustibile - USA e UEEvoluzione dei finanziamenti
157
222232
268281
268
0
50
100
150
200
250
300
2004 2005 2006 2007 2008 2009 (richiesta)
Mili
on
i di d
olla
ri
8
32
58
145
315
0
50
100
150
200
250
300
350
FP2 (1996-1990)
FP3 (1990-1994)
FP4 (1994-1998)
FP5 (1998- 2002)
FP6 (2002-2006)
Mili
on
i di E
uro
EUROPEANCOMMISSION
U.S. DoE
MR/2009 - 41 Dipartimento TER
Obiettivi del
Programma Fuel Cells and Hydrogen Joint Undertaking (FCH JU)
VEICOLI A
IDROGENO E
STAZIONI DI
RIFORNIMENTO
2010 Fino a 10 veicoli, un sito dimostrativo con capacità di rifornimento per 50 veicoli
Fino a 20 autobus, 3 siti dimostrativi con adeguata capacità di rifornimento
2015 Fino a 500 veicoli e 3 siti dimostrativi con 3 tre nuove stazioni di rifornimento
Fino a 500 autobus su 10 siti EU con almeno 7 stazioni di rifornimento
Sistemi di propulsione di autovetture - Costo del sistema 100 €/kW, durata 5000 h
PRODUZIONE E
DISTRIBUZIONE
IDROGENO
2010 Adeguata disponibilità di catene di produzione idrogeno per soddisfare i requisiti
delle attività dimostrative
2015 Domanda di H2: 10-20 % , carbon-free
Costo H2 alla stazione di rifornimento < 5 €/kg (produzione centralizzata ed on-site,
escluse tasse)
GENERAZIONE
DI POTENZA
STAZIONARIA
E CHP
2010 Potenza elettrica installata 3-7 MW
2015 Potenza elettrica installata 100 MW
Costo 5000-6000 €/kW (Sistemi CHP) e 1500-2000 €/kW per sistemi
commerciali/industriali
CELLE A
COMBUSTIBILE PER
I PRIMI MERCATI
2010 10000 sistemi sul mercato, di cui 6000 nuove vendite
2015 50000 nuove unità sul mercato
“Snapshot 2020”vendite per anno
0.4-1.8 milioni di veicoli
a idrogeno
0.1-0.2 milioni di
sistemi CHP a celle a
combustibile
0.1 milioni di unità a
celle combustibile per
le prime applicazioni
250 milioni di
micro-FC
MR/2009 - 42 Dipartimento TER
Finanziamenti FCH JU
FCH JURicerca
a lungo
termine
Ricerca e
sviluppo
tecnologico
Attività
dimostrative
Azioni di
supporto
TOTALE
M€
Trasporto e infrastrutture di rifornimento 20.0 27.0 107.8 (6.9) 154.8
Produzione e distribuzione idrogeno 13.4 13.9 13.6 (3.0) 40.9
Generazione di potenza stazionaria e CHP 24.5 78.4 64.8 (3.0) 167.7
Primi mercati 12.8 45.5 (7.6) 58.3
Attività trasversali 28.3 28.3
TOTALE, M€ 57.9 132.1 231.7 28.3+(20.5) 450.0
Trasporto & Infrastrutture di distribuzioe
35%
Produzione e distribuzione
idrogeno9%
Generazione di potenza
stazionaria & CHP37%
Primi Mercati13%
Attività trasversali
6%
Ricerca e sviluppo
tecnologico29%
Dimostrazione52%
Azioni di supporto
6%
Ricerca a lungo termine
13%
Tipo di impiego
Linee di attività
MR/2009 - 43 Dipartimento TER
FCH JU - Partecipanti italiani
Ansaldo Fuel Cells
Centro Ricerche Fiat
Enel Produzione
Environment park
ILT Technology
Labor srl
SAPIO Produzione Idrogeno
Ossigeno
SOFCpower
Abruzzo
Lazio
Lombardia
Piemonte
Trentino
Alto Adige Università:
Torino
Bologna
Roma
Genova
Salerno
CNR
CESI-Ricerca
ENEA
Polit.Torino
MR/2009 - 44 Dipartimento TER
Indice
Idrogeno come vettore energetico e relative tecnologia
Celle a combustibile
Mercati attuali e scenari di sviluppo
Programmi internazionali ed europei
Programmi italiani e attività ENEA
MR/2009 - 45 Dipartimento TER
Programmi nazionali per Idrogeno e Celle a Combustibile
PROGRAMMA NAZIONALE DI RICERCA “IDROGENO E CELLE A COMBUSTIBILE”
finanziato dal Ministero dell’Istruzione, Università e Ricerca e dal Ministero dell’Ambiente
attraverso il Fondo Integrativo Speciale per la Ricerca (FISR)
14 progetti (8 relativi all’idrogeno, 6 sulle celle a combustibile)
Finanziamento FISR : 90 M€
Valore totale dei progetti: 120 M€
Durata: 2005-2009
MINISTERO DELLO SVILUPPO ECONOMICO - RICERCA DI INTERESSE GENERALE PER IL SISTEMA ELETTRICO
Sviluppo di sistemi a celle a combustibile (PEFC, MCFC e SOFC) per applicazioni
stazionarie
Attività svolte presso ENEA, CNR-ITAE, Cesi Ricerca, FN e vari istituti universitari
Finanziamento MSE I ° ANNO (attività 2008) - 4,2 M€
II° ANNO (attività 2009) - 3,5 M€
MR/2009 - 46 Dipartimento TER
Programmi nazionali per Idrogeno e Celle a Combustibile
PROGRAMMA INDUSTRIA 2015 finanziato dal Ministero dello Sviluppo Economico, nell’ambito dei Progetti di Innovazione Industriale
per la
EFFICIENZA ENERGETICA
MICROGEN 30 / ICI Caldaie – Sistema di microgenerazione con PEFC da 30 kW per applicazioni
residenziali
EFESO / Merloni Termosanitari – Microgeneratori 1-2.5 kW con SOFC
HYDROSTORE / Venezia Tecnologie – Studio e sviluppo di sistemi di accumulo (idruri metallici)
MOBILITÀ SOSTENIBILE
VISION /Fincantieri – Vaporetto per Venezia con sistema ibrido di generazione a celle a
combustibile alimentato a idrogeno
PBI (Piattaforma Bus innovativi) /Breda Menarinibus - Sistemi per la mobilità sicura ed integrata
fra veicoli ed infrastrutture per il trasporto di persone e/o merci
Finanziamento: 30,7M€
Valore totale dei progetti: circa 70 M€
Durata: 3 anni
MR/2009 - 47 Dipartimento TER
Altre attività italiane su idrogeno e tecnologie relative
Sotacarbo – Produzione di idrogeno da carbone
Progetto FIAT CITY CAR HYDROGEN -
Realizzazione e dimostrazione di SEICENTO e PANDA
alimentate con celle a combustibile
Sistema Piemonte Idrogeno (SPH2) Sperimentazione delle tecnologie dell’idrogeno
Hydrogen Park (Porto Marghera) – Uso reflui H2 da impianti industriali;
applicazioni per cogenerazione e mezzi di trasporto
ENEL Fusina - Centrale alimentata con idrogeno da impianto petrolchimico
Progetto Vision (Fincantieri) – Vaporetto a Idrogeno
Milano Bicocca – Progetto integrato idrogeno – sperimentazione di sistemi alimentati a
idrogeno
Progetto Zero Regio– Infrastruttura per il riforminento di una miniflotta di vetture
alimentate a idrogeno (Panda Hydrogen)
Progetto miscele metano/idrogeno – Sperimentazioni di 20 veicoli sperimentali, 2
stazioni di rifornimento
Attività di R,S& D sulle tecnologie dell’idrogeno e sulle celle a combustibile sono in corso presso
ENEA, Cesi Ricerca, CIRPS, ENEL, Enitecnologie, Envipark, CNR ed istituti universitari
Progetto Arezzo – Rete di distribuzione H2 per il
distretto orafo ed utilizzo in celle a combustibile
Progetto MultiEnergy - Stazione di rifornimento
idrogeno Collesalvetti
Progetto Filiera Idrogeno (Pontech di Pontedera
ed Università) – Progetto integrato (produzione,
accumulo e distribuzione idrogeno) HyChain – Dimostrazione di veicoli a idrogeno
Neo Project – Sviluppo di veicoli leggeri a idrogeno
e delle infrastrutture necessarie al suo uso
Progetto miscele metano/idrogeno (Forli, Ravenna)-
Sperimentazione autobus per servizio pubblico Civitavecchia – Realizzazione di una stazione di rifornimento
per miniflotta autobus / H2 prodotto da rinnovabili
Benevento – Sviluppo e dimostrazione di veicoli a idrogeno
(van e scooter a celle a combustibile)
Messina (Progetto Mata&Grifone) – Sviluppo di prototipi di midi-bus e mini-van a celle a comb.
Messina (Progetto Giano) - Minicar con celle a combustibile per piccole isole
Progetto EasyHy (CEA Bellini, Penne) -
Idrogeno prodotto da rinnovabili impiegato in
PEFC da 5 kW
Progetto Regionale - Rete di distribuzione di
idrogeno prodotto da rinnovabili
MR/2009 - 48 Dipartimento TER
Celle a combustibile
Situazione industriale italiana
► Sistemi CHP da 1-5 kW a idrogeno e gas
naturale
► Sviluppo di stack PEFC e sistemi integrati
(500 W - 30kW) per generazione stazionaria ,
portatile e per trasporto
► Unità UPS 3-7 kW
a idrogeno
► Sistemi di microcogenerazione
di piccola-media taglia (30 kW)
alimentati a gas naturale
(SIDERA 30 sviluppato in
collaborazione con Exergy Fuel
Cells)
MR/2009 - 49 Dipartimento TER
Celle a combustibile
Situazione industriale italiana
Dimostrazione di impianti
SOFC ( 5 e 100 kW
Siemens) a gas naturale
(in collaborazione con il
Politecnico di Torino ed
EnviPark)
Sistemi micro CHP 1 kWe
(collaborazione con
Acumentrics, tecnologia
tubolare)
Sviluppo prodotti HoTboxTM
Stack 100 W - 1 kW
(acquisizione della HTceramix)
Sviluppo di stack, processi e componenti del BoP
Sviluppo di unità dimostrative per generazione
distribuita (da 125 kW a qualche MW)
MR/2009 - 50 Dipartimento TER
Veicoli a celle a combustibile
Programmi Gruppo FIAT
FC Cityclass Torino FC Cityclass Madrid
2002 2006
Ibrido FC Europolis
Seicento FC APU Panda
2000 2004
Seicento Hydrogen
SIS
TE
MA
CE
LL
E A
CO
MB
.
Sistema FC
APUSistema FC II generazione Sistema FC
full power
Flotte Panda
Sistema FC III
generazione
AU
TO
BU
SA
uto
vett
ure
Anni
City delivery van
CENTRORICERCHEFIAT
MR/2009 - 51 Dipartimento TER
Idrogeno e Celle a Combustibile: Attività ENEA
Produzione idrogeno Combustibili fossili (GN, Carbone) e fonti
rinnovabili (solare termico, biomasse)
Accumulo idrogenoIdruri metallici, sodioboroidruro
Utilizzo idrogenoCelle a combustibile e cicli termici avanzati
Analisi di fattibilità e valutazioni tecnico-economiche vengono condotte
a livello nazionale e nell’ambito di collaborazioni internazionali
MR/2009 - 52 Dipartimento TER
PRODUZIONE DA ENERGIA SOLARE
R&S di processi di produzione di idrogeno
mediante cicli termochimici
Processo zolfo-iodio
Processo ferrite di manganese
Produzione di idrogeno
PRODUZIONE DA BIOMASSE
Produzione di un gas ricco di idrogeno
attraverso gassificazione
(Tecnologia a letto fluido ricircolante)
Sviluppo di processi biologici (alghe, processi fermentativi)
PRODUZIONE DA FONTI FOSSILI ED
UTILIZZO IN CICLI TERMICI
Gassificazione del
carbone per produzione
combinata di energia
elettrica ed idrogeno,
con emissioni zero
H2SO4 HI
I2
SO2
H2O O2
2H2O + SO2 + I2 →
H2SO4+ 2HI
2HI → H2 + I2
200-700°C
H2SO4 → H2O+ SO2 + ½O2
850 °C
100°C
Calore
MR/2009 - 53 Dipartimento TER
Accumulo idrogeno
PRODUZIONE DA ENERGIA SOLARE
R&S di processi per la
produzione di idrogeno
con sistemi solari a
concentrazione
PRODUZIONE DA FONTI FOSSILI ED
UTILIZZO IN CICLI TERMICI AVANZATI
Processo zolfo-iodio
Processo ferriti miste
PRODUZIONE DA BIOMASSE
Produzione di gas ricco in idrogeno, mediante impianto di gassificazione a letto fluido ricircolato
Sviluppo processi biologici
Ciclo integrato di produzione di idrogeno ed energia elettrica da carbone ad emissioni zero
Idruri chimici per usi speciali ed applicazioni
portatili
Idruri metallici
Finanziamenti MIUR - Progetti FISR
Collaborazione con il Ministero della Difesa
MSE – Industria 2015
Sintesi e caratterizzazione di materiali compositi e
nanocompositi (a base di Mg)
H2 Idruro metallico
Studio di materiali e processi (NaBH4)
Progettazione e realizzazione di prototipi da
laboratorio
MR/2009 - 54 Dipartimento TER
Celle a combustibile
Celle ad elettrolita polimerico• Sviluppo di materiali e componenti di cella innovativi
(catalizzatori, membrane, elettrodi, piatti bipolari)
• Realizzazione e prova di sistemi di potenza < 5 kW
• Sviluppo di sistemi di generazione di idrogeno da diversi
combustibili (NG, GPL) da integrare con PEFC
Celle a carbonati fusi• Sviluppo di materiali e componenti di cella innovativi
(elettrodi, piatti bipolari; in collaborazione con FN)
• Sviluppo di sistemi alimentati a biogas
• Sperimentazione di sistemi ibridi cella/turbina e di sistemi
alimentati con biomasse
Celle ad ossidi solidi• Studio componenti di cella e messa a punto del processo
produttivo (in collaborazione con FN)
• Test in monocella per sviluppo di materiali innovativi
FINANZIAMENTI
• MIUR - Progetti FISR
• ADP MSE/ENEA - CERSE
• MSE – Industria 2015 (MICROGEN 30 ed EFESO)
• Progetti UE - FP6
(FCTESQA e FCTEDI)
MR/2009 - 55 Dipartimento TER
Utilizzo dell’idrogeno
Caratterizzazione di un motore a combustione interna
alimentato con HCNG a diverso contenuto di idrogeno
HCNG (Miscele metano -idrogeno)
Distribuzione idrogeno
Realizzazione di una mini-rete a idrogeno
presso il C.R .ENEA di Brasimone
Progetto cofinanziato dalla Regione Emilia Romagna
Caratterizzazione su banco prova di un motore a
combustione interna (IVECO Daily) alimentato con miscele
a diverso contenuto di idrogeno
Sperimentazione di autobus (BredaMenarinibus) delle
aziende di trasporto di Forlì e Ravenna, alimentati con
miscele dal 5 al 25% di idrogeno. Valutazione della qualità
delle emissioni, dei rendimenti e delle prestazioni del
mezzo
Veicoli a miscele metano/idrogeno (HCNG)
MR/2009 - 56 Dipartimento TER
Ulteriori informazioni sul tema delle celle a combustibile
ed argomenti correlati possono essere tratte dal
documento:
Celle a combustibile - Stato di sviluppo
e prospettive della tecnologia
Modulo di richiesta sul sito ENEA all’indirizzo:
http://www.enea.it/produzione_scientifica/edizioni_anno/
2008.html
MR/2009 - 57 Dipartimento TER
3rd European Fuel Cell Technology &
Application Conference 2009
Roma, 15-18 dicembre 2009
http://www.asmeconferences.org/EFC09/index.cfm