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Celle a combustibile stazionarie alimentate a carbone

CCC/282

XING ZHANG

Febbraio 2018

La riduzione dell’utilizzo del carbone nella società moderna è una priorità assoluta. L’accordo di Parigi del 2015 rappresenta un traguardo storico per il settore energetico e ha confermato l’obiettivo, a livello mondiale, di limitare i futuri aumenti di temperatura a meno di 2 °C, oltre a proseguire gli sforzi verso l’obiettivo dell’1,5 °C. Per raggiungerlo, il settore della generazione di energia deve conseguire una maggiore efficienza e minori emissioni nel soddisfare la crescente domanda di energia. Oltre a promuovere l’uso di risorse energetiche rinnovabili, diversi paesi stanno anche cercando tecnologie innovative per la conversione di combustibili fossili, incluso il carbone. Una delle più promettenti di queste tecnologie energetiche è costituita dalle celle a combustibile stazionarie.

Le celle a combustibile sono dispositivi elettrochimici che convertono direttamente l’energia chimica dei reagenti in elettricità e calore con alta efficienza. Generano elettricità continuamente, finché è presente una fonte di carburante. La natura a singolo passaggio di questo processo, dall’energia chimica all’energia elettrica, presenta numerosi vantaggi rispetto ai convenzionali metodi di generazione di energia, in quanto questi ultimi necessitano di più passaggi per generare, dall’energia chimica, prima energia termica, poi meccanica e infine elettrica. I potenziali vantaggi includono l’alta efficienza con calore, raffreddamento e potenza combinati (efficienza elettrica fino al 60%, efficienza combinata in cogenerazione superiore al 90%), alta densità di potenza, minimo impatto ambientale, basse emissioni, bassa rumorosità e alta qualità energetica. Le celle a combustibile, se integrate con una centrale a carbone, potrebbero produrre CO2 concentrata pronta per la cattura.

Le celle a combustibile sono di natura modulare e non subiscono grandi perdite in termini energetici se ridotte a dimensioni più piccole.

Schematizzazione di un sistema a celle a combustibile

Le applicazioni per celle a combustibile includono la produzione di energia stazionaria su larga scala, la cogenerazione combinata di calore ed energia (CHP) e l’energia portatile. Proprio per le dimensioni ridotte e l’elevata efficienza, sia lo sviluppo che la diffusione delle celle a combustibile per CHP e sistemi di alimentazione stazionaria di piccole e medie dimensioni stanno progredendo rapidamente, grazie anche al sostegno dei governi attraverso crediti d’imposta e incentivi statali.

Il mercato è capeggiato da Giappone, Corea del Sud, Stati Uniti e alcuni paesi europei. Gli Stati Uniti sono al primo posto per la capacità delle celle a combustibile e sede di produttori leader a livello mondiale: FuelCell Energy (FCE) Inc, Doosan Fuel Cell America e Bloom Energy. Il Giappone è il primo fornitore di sistemi di consegna grazie al potenziamento dei sistemi di alimentazione a micro cogenerazione di Ene Farm. Tuttavia, la Corea del Sud ha la flotta più grande del mondo (in MW) di sistemi di celle a combustibile stazionarie, tra cui la più grande centrale elettrica a celle a combustibile, il parco Gyeonggi Green Energy da 59 MW a Hwasung City. Attualmente, il gas naturale è il combustibile più utilizzato in tutti i sistemi di celle a combustibile disponibili in commercio. Se il carbone gassificato fosse il combustibile più diffuso, si potrebbe utilizzare l’idrogeno e il syngas del carbone.

Per la produzione di energia stazionaria su larga scala, l’integrazione di un processo di gassificazione del carbone con celle a combustibile ad alta temperatura (IGFC) è un’opzione che consentirebbe di creare sistemi di generazione di energia ad altissima efficienza e a basse emissioni. Anche con la cattura di anidride carbonica aggiunta, l’impianto IGFC potrebbe avere un’efficienza maggiore, rispetto a un impianto di combustione a carbone polverizzato (PCC) o a ciclo combinato di gassificazione integrata (IGCC) senza cattura di CO2, e consumerebbe molta meno acqua.

La ricerca teorica sull’IGFC è un argomento centrale negli studi accademici sulla generazione di energia da carbone. Tuttavia, a causa dell’elevato costo dei prototipi, anche a livello di laboratorio, finora non è stato eseguito alcun test sperimentale sui sistemi IGFC. Il Dipartimento dell’Energia degli Stati Uniti (DOE) sta promuovendo la ricerca e lo sviluppo sulle tecnologie delle celle a combustibile attraverso programmi di ricerca come “Solid State Energy Conversion Alliance (SECA)” e mira a avvalorare un sistema IGFC da 10 MW entro il 2020 e un sistema IGFC da 50 MW entro il 2025. Attualmente Il Giappone è in testa al settore e il lancio del primo impianto dimostrativo IGFC con cattura e stoccaggio della CO2 (CCS) è programmato per il 2021 a seguito del progetto CoolGen a Osaki, Hiroshima.

Anche le celle a combustibile a carbone diretto (DCFC) sono in fase di sviluppo. Le DCFC rappresentano un modo per convertire l’energia chimica del carbonio in elettricità in modo efficiente, senza formare gli inquinanti associati alla combustione convenzionale, quali particolati, NOx, SOx e mercurio. Il carbonio nel carbone è completamente ossidato in CO2, pronto per la CCS. Non c’è bisogno di acqua nel processo. Se i DCFC diventassero operativi e disponibili sul mercato, potrebbero rivoluzionare la produzione di energia, in particolare dal carbone. Tuttavia, i meccanismi delle reazioni nei DCFC non sono ancora completamente chiari. Vari aspetti elettrochimici, come il numero di elettroni trasferiti, il ruolo della reazione di Boudouard inversa e le possibili reazioni chimiche intermedie tra le specie anodiche sono ancora in fase di studio. Il superamento della praticità di mettere un solido reagente che contiene cenere contaminante in adeguato contatto con un elettrodo è un problema significativo, specialmente per la diffusione di una tecnologia ancora agli inizi e lontana dalla fase dimostrativa. Le DCFC che utilizzano pirolisi interna o gassificazione strettamente integrata possono avere una maggiore prospettiva di successo.

I sistemi stazionari di celle a combustibile possono costituire in parte la soluzione al raggiungimento degli obiettivi ambientali in termini di emissioni e all’aumento dell’efficienza della generazione di energia. Le grandi sfide per le celle a combustibile stazionarie sono il costo e la durabilità. Fino ad ora, le celle a combustibile e le tecnologie correlate sono state costruite in piccola scala. La domanda del mercato è stata insufficiente per consentire investimenti nella produzione avanzata. La riduzione dei costi di produzione può essere vantaggiosa per tutti gli aspetti dei sistemi di celle a carburante, compresi la produzione di idrogeno e i sistemi di stoccaggio e l’infrastruttura dell’idrogeno. Per i sistemi di celle a carburante alimentati a carbone, la commercializzazione dipende anche dal miglioramento della produzione dell’idrogeno e dal recupero di gas di sintesi dalla gassificazione del carbone. Il sostegno dei governi è un aspetto critico per il progresso delle applicazioni di celle stazionarie, per permettere a questa tecnologia di confrontarsi col mercato. AMasili