La produzione di energia elettrica e di idrogeno da fonte solare ed eolica: Utilizzo della Tecnologia dell’Idrogeno Liquido e dei Superconduttori per l’uso efficiente dell’energia elettrica prodotta da fonti rinnovabili

  

Obiettivo del progetto

L’attività di ricerca sarà focalizzata sulla connessione delle fonti di energia rinnovabile al “sistema energetico” nazionale tramite la produzione di energia elettrica, da erogare alla rete elettrica in corrente alternata, e l’immagazzinamento di energia chimica tramite idrogeno. L’obiettivo pertanto è l’utilizzo della maggior quantità possibile delle risorse energetiche rinnovabili, sfruttando le sinergie ottenibili dal contemporaneo utilizzo di due distinti vettori energetici.

Pur non producendo inquinanti, le fonti rinnovabili, e tra esse soprattutto l’eolico e il solare, sono disponibili in modo intermittente, e ciò ne riduce il cosiddetto “credito di potenza” (esse, infatti, possono ridurre i consumi di combustibile nelle centrali convenzionali, ma non sostituire completamente una pari potenza convenzionale). Un altro serio limite è costituito dalla bassa densità per unità di superficie impegnata: tale caratteristica comporta la necessità di impegnare rilevanti estensioni di territorio per la produzione di quantità significative di energia, tanto che essa costituisce un serio limite al potenziale utilizzabile. Nel complesso, tuttavia, un più esteso ricorso alle fonti rinnovabili viene unanimemente indicato come obiettivo prioritario nelle politiche energetiche e ambientali elaborate a livello internazionale, comunitario e nazionale.

L’idrogeno risulta essere un vettore energetico molto promettente in termini di efficienza di utilizzo e di riduzione dell’impatto ambientale che può quindi rappresentare un componente chiave per un sistema energetico sostenibile. Come vettore energetico e combustibile, la sua futura integrazione nell’economia energetica è in grado di contribuire a rendere le energie da fonti rinnovabili percorribili e pratiche. In particolare, come mezzo di accumulo, esso può contribuire a promuovere l’uso delle fonti rinnovabili e ad abbassare il costo dell’elettricità di picco. Inoltre, la crescente domanda di elettricità in siti non connessi alla rete, fornisce una ulteriore opportunità per l’idrogeno come mezzo di accumulo di energia. Importanti risorse sono attualmente impegnate da tutti i paesi europei e non (oltre 4000 Milioni di Euro nei prossimi 5 anni [Proc. IEA Worshop “Toward Hydrogen”, Parigi, Marzo 2003]) ed unanimemente si ritiene di potere avere un ritorno economico entro 10 – 15 anni.

Il sistema oggetto di studio è rappresentato schematicamente in Fig. 1 ed è costituito principalmente da:

1.    una o più fonti di energia rinnovabile (tipicamente eolica e/o fotovoltaica) in installazioni remote,

2.    un sistema di accumulo della energia realizzato mediante produzione e stoccaggio di idrogeno (in forma gassosa e liquida) e fuel cell, per compensare le fluttuazioni delle sorgenti di energia rinnovabile,

3.    una linea di trasmissione in corrente continua, realizzata con materiale superconduttore (MgB₂) avente una temperatura di transizione superiore a quella dell’idrogeno liquido, utilizzato per raffreddarlo,

4.    un sistema di accumulo della energia realizzato mediante avvolgimenti superconduttori (SMES) per compensare le oscillazioni rapide di corrente dovute a chopper ed inverter,

5.    un inverter per l'interfacciamento della linea in corrente continua con la rete in corrente alternata.

 

Per ciascuno dei componenti fondamentali (produzione/stoccaggio/utilizzo di idrogeno, linea di trasmissione in corrente continua, SMES, inverter di interfaccia con la rete di distribuzione) il progetto si propone di:

a.    sviluppare i modelli teorici ed i codici di calcolo per il progetto e l'analisi

b.    realizzare un prototipo di laboratorio che servirà per validare i modelli ed i codici sviluppati e studiare sperimentalmente il comportamento di componenti in alcune condizioni di funzionamento considerate critiche per il sistema.

Il progetto si propone inoltre di simulare, mediante codici già esistenti e/o sviluppati durante il progetto stesso, il comportamento di tutto il sistema, al fine di ottimizzarne le prestazioni (massima energia erogata alla rete, minima variazione della potenza, sicurezza del sistema nelle condizioni di guasto previste, stabilità del sistema) in condizioni reali.

 

DESCRIZIONE DEL PROGETTO DI RICERCA

 

Scenario “in prospettiva”

Le energie rinnovabili, di cui l’Italia ha grandi risorse, dovrebbero avere un ruolo importante nella riduzione delle emissioni di CO₂. Lo sviluppo della tecnologia eolica ha già raggiunto un livello significativo, mentre lo sviluppo della tecnologia fotovoltaica è limitato dell’elevato costo della energia prodotta. L’impatto ambientale di queste tecnologie rende possibile installare grandi centrali eoliche e/o fotovoltaiche soltanto in zone remote. In questo caso la connessione in corrente continua (d.c.) rappresenta una soluzione conveniente, rispetto alla connessione in corrente alternata (a.c.), e la tecnologia superconduttiva consente di ridurre significativamente l’energia dissipata nella connessione. Bisogna tenere presente che quando la potenza proveniente dalle fonti rinnovabili è una frazione significativa (più del 20%) della potenza elettrica totale installata, la variabilità intrinseca della potenza prodotta da fonti rinnovabili genera fenomeni di instabilità nella rete che riducono la qualità della energia elettrica prodotta. È necessario quindi prevedere l’accumulo di una quantità di energia sufficiente a garantire la qualità della energia prodotta con le fonti rinnovabili. L’idrogeno, ottenibile per elettrolisi dall’acqua, sarebbe un mezzo di accumulo di energia molto efficiente e “pulito”, se non fosse limitato dalla difficoltà di trasporto e stoccaggio: sia per la bassa densità energetica, sia perché esplosivo, infiammabile ed estremamente volatile. La liquefazione dell'idrogeno (a 20 K) non è la soluzione più conveniente dal punto di vista energetico (circa il 30% dell’energia dell’idrogeno è necessaria per il suo raffreddamento), ma se è utilizzata in simbiosi con la tecnologia del superconduttore MgB₂, potrebbe rivelarsi vantaggiosa. Inoltre, l’utilizzo dell’idrogeno liquido per raffreddare la linea di trasmissione consentirebbe di trasportare tre tipi diversi di energia: chimica, elettrica e termica. Infatti, prima dell’utilizzo dell’idrogeno come combustibile (a temperatura ambiente) è pensabile il suo impiego come refrigerante, recuperando in tal modo parte della potenza spesa per liquefarlo. Infine, la tecnologia superconduttiva può contribuire anche a superare il problema della qualità della energia elettrica prodotta accumulando energia in uno SMES (Superconducting Magnetic Energy Storage system), riducendo le instabilità ed i “flickers” e contribuendo ad aumentare la potenza da fonte rinnovabile installabile.

 

Attività di Ricerca & Sviluppo: Studio di sistema; Progetto del cavo superconduttivo per la linea di trasmissione in corrente continua; Progetto del sistema di accumulo e pompaggio dell’idrogeno liquido; Progetto del convertitore per la connessione della linea in corrente continua alla rete in alternata; Progetto del sistema di diagnostica e protezione.

 

Scenario a Breve Termine

Con riferimento allo schema generale riportato in Fig. 1, si intende analizzare, sviluppare e realizzare il sistema costituito da: generatore fotovoltaico, elettrolizzatore, stoccagggio dell'idrogeno, fuel cell e convertitori elettronici di potenza. L'insieme di questi componenti (racchiusi con linea tratteggiata e rappresentati in Fig. 2) costituisce il sistema di generazione che alimenta la linea di trasmissione in corrente continua, alimenta i carichi locali ed accumula idrogeno. Tale sistema è caratterizzato da una notevole flessibilità di impiego.

In condizioni di funzionamento ordinario:

§      produce energia elettrica ed idrogeno liquido per la trasmissione a distanza;

§      accumula idrogeno per un successivo utilizzo come combustibile di una fuel cell al fine di compensare la variabilità di potenza delle fonti rinnovabili;

§      alimenta carichi in isola per il soddisfacimento del fabbisogno energetico di utenze installate in prossimità dell'unità di generazione;

In caso di interruzione del flusso di potenza lungo il cavo

§    continua a produrre energia accumulandola sotto forma di idrogeno compresso;

§    continua ad alimentare carichi in isola;

In caso di temporanea riduzione della potenza prodotta dalle sorgenti rinnovabili la fuel cell integra il flusso di potenza utilizzando l'idrogeno accumulato.

 

Attività di Ricerca & Sviluppo

Sviluppo del modello numerico del sistema proposto in modo da mettere a punto il sistema di gestione dei flussi di potenza che garantisca una ottimale gestione dei diversi dispositivi di conversione dell'energia e che sia in grado di verificare la stabilità del sistema in condizioni di funzionamento ordinario e di guasto.

Realizzazione in scala di laboratorio del sistema proposto, in cui l'energia prodotta da fonti rinnovabili sarà impiegata per l'alimentazione di carichi elettrici e per la produzione di idrogeno con sistema di accumulo per l'alimentazione di una cella a combustibile.

Test del sistema prototipale realizzato e messa a punto ciascun sottosistema al fine di dimostrare la validità del sistema proposto; verifica della capacità del sistema di operare in diverse condizioni di funzionamento.

Analisi economica e di impatto ambientale del sistema energetico proposto e studio di fattibilità sulla scalabilità a  sistemi di dimensioni maggiori di quello realizzato in laboratorio.