L'intervento di Sabina Fiorot (Enviromental Park, Torino) in occasione del seminario "L'integrazione delle tecnologie dell'idrogeno nelle microreti" che si è svolto il 21 novembre 2019 a Cagliari.

1. SEMINARIO
L'integrazione delle tecnologie
dell'idrogeno nelle Microreti
21 novembre 2019 – ore 9.00
Stato dell’arte delle tecnologie e
ruolo dell’idrogeno nelle microreti
Relatore: Sabina Fiorot
Enviromental Park-Torino

2. Stato dell’arte delle tecnologie e ruolo dell’idrogeno nelle microreti
Breve introduzione di Environment Park
Generazione distribuita e microrete
Il ruolo dell’H2 nella transizione energetica e decarbonizzazione
Stoccaggio energetico: tecnologie a confronto
Power to H2 : green hydrogen (confronto diversi elettrolizzatori)
H2 storage diversi approcci (solido, liquido, gassoso)
H2 to Power (diverse tipologie di FC e applicazioni)
H2 to GAS

3. L’azienda
Environment Park è un acceleratore di
innovazione per tutte le imprese che
puntano ad allargare il proprio mercato
con soluzioni eco-efficienti.
L’azienda è una S.p.A. ad azionariato
pubblico che opera in regime di libera
concorrenza. Nata a Torino nel 1996 sulla
Spina 3, è una delle aree di
trasformazione urbana più grandi
d’Europa.
Environment Park è oggi un interlocutore
privilegiato per le aziende che
investono sull’innovazione grazie al
ruolo di broker di nuove tecnologie che ha
maturato in oltre 10 anni di esperienza con
il tessuto produttivo.
Stato dell’arte delle tecnologie e ruolo dell’idrogeno nelle microreti

4. Environment Park si è affermato come un motore di intelligenza che traduce le capacità
produttive di imprese e ricercatori impegnati sulla sostenibilità ambientale in stimoli di
cambiamento orientati al business;
- CONTENITORE per favorire l'insediamento di aziende all'interno del Parco tecnologico
- CATALIZZATORE di attività di innovazione tecnologica ambientale
- PIATTAFORMA dinamica in cui le idee innovative possono tradursi in pratica grazie alle
attrezzature presenti nei laboratori e alle competenze altamente specializzate.
L’attività
VISION
Sostenibilità ambientale come chiave per
interpretare l’economia del futuro
MISSION
Soggetto unico di riferimento per aziende
ed enti pubblici nel campo delle clean
technologies attraverso un’azione di
scouting e trasferimento di tecnologie
Stato dell’arte delle tecnologie e ruolo dell’idrogeno nelle microreti

5. Le business units
1) SERVIZI IMMOBILIARI: sono il settore operativo per la gestione dell’ area di
Environment Park.
2) INNOVAZIONE E SVILUPPO: attività di consulenza tecnica e soluzioni di mercato sui
settori Green Building, Plasma Nano-Tech, Green Chemistry, Advanced Energy e Clen Tech.
Stato dell’arte delle tecnologie e ruolo dell’idrogeno nelle microreti

6. R&D laboratory TESTING laboratory
TRAINING LABORATORY
for technicians involved in
H2 business
COMPETENCE CENTRE
for the development of pilot
projects in our region
An “open research laboratory” experience
 Advanced Energy è uno dei principali settori di sperimentazione di EnviPark;
 Collaborazione tra istituzioni pubbliche e imprese private per verificare le opportunità di
business per produzione, stoccaggio di energia e per le diverse applicazioni dei sistemi a
celle a combustibile nel campo della mobilità;
 Lancio in aprile 2002 e start up in giugno 2003;
 Dedicato a produzione e stoccaggio di energia elettrica con tecnologie alternative ad elevata
efficienza;
 Centro per lo sviluppo e test di Fuel cell, fuel cell system e batterie

7. Laboratory facility
• Safe area per testare BoP
components e sistemi ad idrogeno:
area dotata di sensori di idrogeno,
sistemi di allarme e protezione
• Ventilazione forzata e area
depressurizzata
• Leakage test di idrogeno

10. FUEL CELLS: With over 15 years of experience in testing fuel cells and related components
(systems, stacks, BoP), the laboratory is equipped to work with systems ranging from a few
watts to 30 kW.
Experience in defining test protocols and implementing dedicated test benches.
PRODUCTION AND STORAGE: Testing and development of fuel processing systems fed by
natural gas or biogas for hydrogen production. Measurements on chemical and
electrochemical storage systems
Solid experience in research projects at European and National level.
DEMONSTRATION SITE FOR PILOT INSTALLATIONS: on field tests for energy storage linked
with RES production and electricity/thermal networks.
Envipark is partner of REFLEX project, which aims to develop an innovative solution for
renewable energy storage, the "Smart Energy Hub". The hub will be combined with the
renewable energy sources of the park (solar and water) and will provide electricity and heat to
the park headquarters. http://www.reflex-energy.eu/
TRAINING AND DEMONSTRATION: Training on hydrogen technologies for technicians,
teachers, students
SKILLS

11. Stato dell’arte delle tecnologie e ruolo dell’idrogeno nelle microreti
Processo di modernizzazione della rete: da una generazione centralizzata alla generazione distribuita (GD)

12. Stato dell’arte delle tecnologie e ruolo dell’idrogeno nelle microreti
Le microgrids sono un gruppo di carichi interconnessi e risorse energetiche distribuite
con confini elettrici chiaramente definiti che agiscono come un'unica entità controllabile
rispetto alla rete e possono scollegarsi dalla rete per poter funzionare sia in modalità
«grid-connected» che in modalità off-grid.
Una microdrid comprende una o più siti di generazione distribuita (GD)

13. Stato dell’arte delle tecnologie e ruolo dell’idrogeno nelle microreti
La generazione distribuita ed il concetto di
efficienza energetica sono alla base del
modello di micro rete intelligente.
Una micro rete è definita da un insieme di
risorse:
 Un “power generation” che usualmente
deriva da differenti sistemi di generazione
distribuita, che includono fonti rinnovabili
e non;
 Uno “storage energetico” che
contribuisce a livellare i picchi di
produzione e domanda;
 Carichi che usano l’energia prodotta

14. Stato dell’arte delle tecnologie e ruolo dell’idrogeno nelle microreti
Transizione energetica e decarbonizzazione…….il ruolo dell’idrogeno
• Tutti i 28 Stati membri dell'UE hanno firmato e ratificato l'accordo di Parigi
nell’ambito della 21° Conferenza delle Parti (COP21) al fine di mantenere il
riscaldamento globale “ben al di sotto dei 2 gradi Celsius rispetto ai livelli
preindustriali e proseguire gli sforzi per limitarlo a 1,5°C”.
• Pertanto, i soggetti firmatari coinvolti in questo processo hanno il dovere di
valutare tutte le opzioni disponibili per limitare le emissioni di CO2 legate
all'energia. tutti i Paesi che ne fanno parte tra cui l’Europa che si è impegnata a
ridurre le emissioni di CO2 del 40% entro il 2030 e il 100% entro il 2050
……….spinta da una serie di decisioni politiche e scelte strategiche di breve e lungo
periodo degli Stati, che trovano la loro motivazione in due principali obiettivi di
natura ambientale:
 Mitigare e ridurre il riscaldamento globale
 Migliorare la qualità dell’aria

15. Stato dell’arte delle tecnologie e ruolo dell’idrogeno nelle microreti
Transizione energetica e decarbonizzazione…….il ruolo dell’idrogeno
Il quadro per il clima e l’energia 2030:
 - 40% emissioni di gas a effetto serra (rispetto ai livelli del 1990)
 + 27% energie rinnovabili e integrazione con fonti energetiche
 + 27% efficienza energetica
Un'economia a basse emissioni di carbonio prevede che entro il 2050:
 emissioni di gas a effetto serra - 100% rispetto ai livelli del 1990
 tutti i settori diano il loro contributo
 la transizione sia fattibile ed economicamente abbordabile.
SOURCE: ICL, http://www.icl-group.com/energy-storage/

16. Stato dell’arte delle tecnologie e ruolo dell’idrogeno nelle microreti
Transizione energetica e decarbonizzazione…….il ruolo dell’idrogeno

17. Stato dell’arte delle tecnologie e ruolo dell’idrogeno nelle microreti
Transizione energetica e decarbonizzazione…….il ruolo dell’idrogeno in Italia
• L’idrogeno potrebbe coprire quasi un quarto di tutta la domanda energetica in Italia entro
il 2050. I segmenti di domanda più attrattivi sono il trasporto, il riscaldamento degli edifici,
ed alcune applicazioni industriali (es. raffinazione, processi con calore ad alta temperatura),
in cui viene già utilizzato l'idrogeno “grigio”.
• L'idrogeno può contribuire a integrare le energie rinnovabili. L'obiettivo del PNIEC di
aggiungere 32 GW di energia solare e 9 GW di capacità eolica fino al 2030. Agirà da
strumento di flessibilità come valida opzione per lo stoccaggio stagionale – potrà essere
utilizzato insieme ad altre soluzioni, più utili per coprire esigenze di bilanciamento di breve
termine (ad esempio le batterie per il bilanciamento intra-giornaliero); potrà rappresentare
anche una soluzione alternativa per il trasporto di energia in rete. Idrogeno Grey
• Facilita sinergie tra settori come con il metano: L’idrogeno può essere immesso nella rete
di distribuzione del gas naturale (fino ad una quota del 10-20%) per il riscaldamento
domestico, è un altro potenziale ambito di sviluppo che si potrebbe verificare nel breve-
medio termine.
• Garantisce la resilienza delle reti grazie alla possibilità di essere stoccato e riconvertito in
energia aumentando quindi la flessibilità del sistema e la sicurezza energetica
Fonte: studio Snam «THE HYDROGEN CHALLENGE: The potential of hydrogen in Italy”

18. Stato dell’arte delle tecnologie e ruolo dell’idrogeno nelle microreti

19. Stoccaggio dell’energia prodotta per bilanciare le rinnovabili
Diverse tecnologie di
stoccaggio come
idroelettrico, batterie,
supercapacitori, volani e
idrogeno. I sistemi di
stoccaggio permettono
di:
 Stabilizzare la
produzione
intermittente di
energia rinnovabile;
 Soddisfare la
richiesta variabile dei
carichi Potenza vs Tempo
Stato dell’arte delle tecnologie e ruolo dell’idrogeno nelle microreti

20. http://www.etipbioenergy.eu/images/WS_Emerging_Technologies_Presentations/09%20Green%20Hydrogen%2
0for%20Decarbonising%20Industry%20and%20Transport%20-%20Lymperopoulos.pdf
Stato dell’arte delle tecnologie e ruolo dell’idrogeno nelle microreti

21. Stoccaggio dell’energia prodotta- concetto di POWER TO H2: produzione e stoccaggio
In EU la produzione solare in
inverno è circa il 60% più bassa
che in estate, con una
domanda energetica invece
superiore (circa 40%). Di
seguito è riportata una
dimostrazione di tale eccesso
di elettricità nei mesi estivi e il
deficit in inverno. L'idrogeno
attraverso l'elettrolisi può
convertire l'elettricità in
eccesso in idrogeno durante i
periodi di eccesso di offerta.
https://hydrogeneurope.eu/index.php/integrate-more-renewables
Idrogeno utilizzato per stoccaggio a lungo termine per
bilanciare settimane e stagioni
Batterie stoccaggio a breve termine per bilanciare
ore/giorno
Stato dell’arte delle tecnologie e ruolo dell’idrogeno nelle microreti

22. Stato dell’arte delle tecnologie e ruolo dell’idrogeno nelle microreti
https://www.toshiba-energy.com/en/hydrogen/product/h2one.htm

23. Elevata densità di stoccaggio energetico
per unità di massa: rapporto energia
/peso dieci volte superiore alle batterie.
Questo vuol dire che a parità di peso
occupa meno volume e riesce a stoccare
tanta energia in un piccolo volume
Stato dell’arte delle tecnologie e ruolo dell’idrogeno nelle microreti
«Non direi migliore delle batterie. Vedo
piuttosto le due forme di accumulo
complementari e sinergiche. Non può esistere
un sistema energetico basato solo sull’elettrico
e nemmeno un sistema che lo possa escludere.
Si dovrà sviluppare un sistema energetico privo
di emissioni carboniche e possibilmente di
inquinanti, integrando produzione, trasporto,
reti elettriche e reti gas che vedano la sempre
maggiore presenza di vettori a basso impatto
carbonico, tra cui l’idrogeno. La flessibilità e
sostenibilità del sistema energetico dipenderà
quindi da quanto si riusciranno a collegare le
varie reti attraverso le opportune conversioni. Il
costo specifico sulle applicazioni metterà poi in
luce quale direzione specifica sarà prioritaria
rispetto all’altra. Sicuramente l’idrogeno come
vettore energetico, ad oggi, può già vincere la
competizione con le batterie nel momento in
cui si parla di trasporto a lunga distanza, lo
stoccaggio su scale temporali medio-lunghe,
l’utilizzo in applicazioni energivore».
Luigi Crema, Head of ARES @ Fondazione Bruno Kessler, Vice Chair
Hydrogen Europe Research - FCH JU, Vice-President H2IT

24. Metodi di produzione dell’idrogeno
Stato dell’arte delle tecnologie e ruolo dell’idrogeno nelle microreti

25. Perchè H2 da fonti rinnovabili-Green Hydrogen
Oggi vengono prodotti circa 70 Mt di idrogeno dedicato, di cui circa il 76%
dell'idrogeno che usiamo oggi deriva dal reforming di gas naturale, il resto è
prodotto al 22% da carbone. L’elettrolisi rappresenta attualmente il 2% della
produzione globale di idrogeno. La produzione globale di idrogeno oggi è
responsabile di 830 MtCO2/anno corrispondente alle emissioni annuali di CO2
dell'Indonesia e del Regno Unito messe insieme.
Ma per realizzare appieno i vantaggi di un'economia dell'idrogeno è necessario:
- sostenibilità,
- riduzione dell'inquinamento atmosferico e delle emissioni di gas a effetto
serra,
- approvvigionamento energetico diversificato,
- aumento della sicurezza energetica
l'idrogeno deve essere prodotto in maniera pulita, efficiente e accessibile da
risorse rinnovabili disponibili
Stato dell’arte delle tecnologie e ruolo dell’idrogeno nelle microreti

26. H2 da fonti rinnovabili-Green Hydrogen
Stato dell’arte delle tecnologie e ruolo dell’idrogeno nelle microreti

27. Sfide tecniche
 Diminuzione dei costi
 Aumento dell’efficienza del
sistema
 Integrazione con rinnovabili
 Costi dell’elettricità
L’elettrolisi utilizza l’elettricità per
separare l’acqua in idrogeno e ossigeno:
2H2O + electricity 2H2 + O2
Stato dell’arte delle tecnologie e ruolo dell’idrogeno nelle microreti
Produzione-Elettrolisi: POWER TO H2 (P2H)

28. Stato dell’arte delle tecnologie e ruolo dell’idrogeno nelle microreti
Elettrolizzatore PEM
Bassa T 40-100°C
Elettrolita solido - Nafion
Reazione anodica: 2H2O → O2 + 4H+ + 4e-
Reazione catodica: 4H+ + 4e- → 2H2
Possibile produzione H2 ad alta P
Fase commerciale kWe fino MWe
Elettrolizzatore alcalino AWE
Bassa T 60-90°C
Simile agli elettrolizzatori PEM, ma utilizza
una soluzione alcalina (idrossido di sodio
o di potassio) come elettrolita-KOH
Meno costoso, non utilizza Pt
Fase commerciale kWe fino a MWe
Elettrolizzatore SOEC
Alta T 650-900°C
Elettrolita solido yttria stabilized
zirconia
R&D, qualche eletrolizz
commerciale, max 150 kW

29. Stato dell’arte delle tecnologie e ruolo dell’idrogeno nelle microreti
ELETTROLIZZATORE PEM A BASSA TEMPERATURA, ALTA PRESSIONE
TEST BENCH PRESSO POLITO, 70 BAR

30. Stato dell’arte delle tecnologie e ruolo dell’idrogeno nelle microreti
ELETTROLIZZATORE SOEC AD ALTA TEMPERATURA
SOEC: cell, stack and module.
H2 produced with > 80 %LHV efficiency*

31. Stato dell’arte delle tecnologie e ruolo dell’idrogeno nelle microreti
IEA, The future of
hydrogen

32. Stato dell’arte delle tecnologie e ruolo dell’idrogeno nelle microreti
Le capacità globali degli elettrolizzatori per scopi energetici sono cresciute rapidamente di
numero e dimensione negli ultimi anni, con una riduzione dei costi da economie di scala

33. IEA, The future of hydrogen
Stato dell’arte delle tecnologie e ruolo dell’idrogeno nelle microreti
Costi idrogeno prodotto per elettrolisi
I costi di produzione dell'idrogeno derivante dall'elettrolisi dell'acqua influenzati
da:
• fattori tecnici ed economici (CAPEX and OPEX);
• efficienza di conversione;
• costi dell'elettricità se connessi alla rete;
• annual operating hours
I CAPEX sono oggi per elettr. alcalini di USD 500-1.400/kWe e USD 1.100-
1.800/kWe per gli elettr. PEM, mentre le stime per gli elettr. SOEC variano
USD 2.800-5.600/kWe.
Lo stack è responsabile del 50% e del 60% del CAPEX rispettivamente per elett
alcalini e PEM. L'elettronica di potenza, il condizionamento a gas e rappresentano
la maggior parte del resto dei costi.

34. IEA, The future of hydrogen
Ad eccezione dell'idrogeno prodotto
dal carbone, i «fuel costs» sono il più
grande componente singolo dei costi di
produzione dell'idrogeno. I futuri costi
dell'idrogeno saranno quindi
influenzati dai costi dell'elettricità e del
gas, o parametri che influenzano tali
costi come la conversione/efficienza. I
costi di produzione dell'elettrolisi
possono anche essere sensibili ai
requisiti CAPEX, in particolare se gli
impianti operano a basse ore di pieno
carico.
Stato dell’arte delle tecnologie e ruolo dell’idrogeno nelle microreti
Costi produzione
dell’idrogeno per
differenti tecnologie
al 2030
Costi produzione
dell’idrogeno in
diverse parti del
mondo
Nei paesi che si affidano alle
importazioni di gas e caratterizzati
da buone risorse rinnovabili, la
produzione di clean hydrogen da
rinnovabile può competere
efficacemente con la produzione
che si basa su Gas.

35. Stato dell’arte delle tecnologie e ruolo dell’idrogeno nelle microreti
A causa della ridotta densità dell’idrogeno, il suo stoccaggio a livelli accettabili di
densità energetica rappresenta un’importante sfida tecnica e economica.
L’idrogeno può essere immagazzinato in diversi modi:
• gas compresso ad alta pressione
• H2 liquido (-253°C )
• Crio-compressione
• Tramite composti chimici o particolari materiali
Oltre che la densità energetica gravimetrica e volumetrica, è rilevante capire
quanta energia è richiesta per la compressione e liquefazione, e quali siano le
condizioni di carico e scarico dal serbatoio.
A livello di infrastrutture e trasporti, bisogna tenere conto della necessità di
serbatoi di stoccaggio, reti di distribuzione, depositi e stazioni di rifornimento.
Stoccaggio di idrogeno

36. Stato dell’arte delle tecnologie e ruolo dell’idrogeno nelle microreti
Stoccaggio ad alta pressione
IDROGENO GASSOSO COMPRESSO
(Compressed Gaseous Hydrogen CGH2):
Gas compresso a temperatura ambiente a
350 – 700 bar
La fase di compressione consuma circa il 10
- 15 % del contenuto energetico
Problema: sicurezza del sistema di
stoccaggio
Solitamente è possibile disporre 2 o 3
serbatoi in un’auto; in un bus, si può
arrivare fino a 8 serbatoi.
L’autonomia va dai 200 km (350 bar) fino ai
500 km (700 bar).
Fonte: progetto Hyresponse
Componenti:
o Serbatoio
o Valvola di non
ritorno
o Valvola di chiusura
o Thermally activated
Pressure Release
Device (TPRD)

37. Stato dell’arte delle tecnologie e ruolo dell’idrogeno nelle microreti
Stoccaggio ad alta pressione
Fonte: progetto Hyresponse
Tipo I: serbatoi metallici
• In acciaio o alluminio
• Soggetti a infragilimento da parte dell’idrogeno (‘H2 Embrittlement’)
• Progettati per pressioni non superiori a 25MPa
• Utilizzati anche per veicoli a gas naturale
Tipo II: serbatoi metallici con camicia circonferenziale in fibra di resina
composita
• Pressioni fino a 45-80 Mpa
• Serbatoi molto pesanti
• Sfruttati come buffers ad alta pressione per le stazioni di rifornimento di H2
Tipo III: serbatoi metallici avvolti completamente da fibra
di resina composita
• Tank di alluminio saldato
• Completamente avvolti da una fibra di resina composita (fibra di carbonio)
• Meno soggetti a infragilimento
Tipo IV: serbatoi polimerici avvolti completamente da
fibra di resina
• Serbatoi polimerici avvolti con matrice di fibre/resina epossidica
• Più costosi
• 70 MPa
Non adatti per applicazioni
automobilistiche a causa di
limiti di peso e volume
Questi
containers
sono più
leggeri e
hanno
spessori
ridotti rispetto
ai serbatoi di
tipo I e II

38. Stato dell’arte delle tecnologie e ruolo dell’idrogeno nelle microreti
Problemi con lo stoccaggio di CGH2
Aspetti tecnici
• Necessità di serbatoi con elevati volumi
5 kg – Quantità di idrogeno che si ipotizza un’automobile a fuel cells necessiti per
percorrere 500 Km. Densità dell’idrogeno gassoso a temperatura ambiente: 23 g/L (a 35
Mpa, Tamb); 39 g/L (a 70 Mpa, Tamb). Per immagazzinare 5 kg di idrogeno a bordo di un
veicolo FCH, il minimo volume richiesto è di 217 e 128 L (per 35 e 70 Mpa
rispettivamente). Nella realtà, i volumi potrebbero essere addirittura maggiori.
• Serbatoi pesanti (per esempio, peso di 66 kg da vuoto). Il peso dell’idrogeno
immagazzinato ammonta a circa l’1% del peso del serbatoio (si abbassa ancora per
pressioni maggiori di 35 Mpa, per le quali sono necessarie pareti più spesse).
• Costi elevati
Aspetti inerenti alla sicurezza
• Perdita di contenimento o rottura
• Interazione fra idrogeno e materiali costituenti il serbatoio (metallo o plastiche)
• Effetti di surriscaldamento durante l’operazione di rifornimento
• Orientamento durante l’operazione di rifornimento
Fonte: Klebanoff, L (Ed) (2012). Hydrogen storage technology: Materials and applications. Boca Raton: CRC Press.
Taylor&Francis.

39. DOE Targets (targets dal U.S. Department Of Energy)
Stato dell’arte delle tecnologie e ruolo dell’idrogeno nelle microreti

40. Stato dell’arte delle tecnologie e ruolo dell’idrogeno nelle microreti
Stoccaggio ad alta pressione
Struttura della stazione di rifornimento: simile a quella per il
rifornimento del gas naturale
Compressori multi-stadio fino a 900 bar.
Dal serbatoio ad alta pressione, riempimento di un altro tank
grazie al gradiente di pressione. Controllo della tracimazione
e del surriscaldamento. Pompe a idrogeno con attacchi
certificati per 350 bar e 700 bar.
L’idrogeno gassoso può essere consegnato alla stazione di rifornimento tramite carri
bombolai o autocisterne.
Refuelling station

41. Stato dell’arte delle tecnologie e ruolo dell’idrogeno nelle microreti
Stoccaggio solido
Absorbimento chimico:
Gli atomi di idrogeno sono legati nel reticolo
atomico metallico (Mg, Al, Na, Li) o in liquidi
(alcool, benzina, petrolio, diesel, NH3)
Teoricamente alte densità di energia
In pratica, vi sono difficoltà nella fase di carica e
scarica (alte o basse temperature, alte pressioni,
tempistiche lunghe, irreversibilità del processo)
Densità & Densità Gravimetrica di
Energia
CGH2
Pressio
ne
[bar]
a 25 °C
Densità
[kg/m³]
Densità
Gravimetrica
di Energia
[kWh/dm³]
1 bar 0.09 0.003
200 bar 14.5 0.5
350 bar 23.3 0.8
700 bar 39.3 1.3
LH2
1 bar a
-253 °C
70.0 2.3

42. Stato dell’arte delle tecnologie e ruolo dell’idrogeno nelle microreti
USO DELL’IDROGENO: H2 to POWER produzione
energia/calore tramite fuel cell
• Conversione diretta da energia chimica a elettrica: le Fuel Cells sono infatti dispositivi
elettrochimici che permettono la diretta conversione in elettricità, garantendo una
produzione altamente efficiente e con ridotto impatto ambientale
• Alta efficienza di conversione
• Inquinamento minimo dovuto all’assenza di combustione: le Fuel Cells emettono
solamente vapore acqueo. Non viene prodotta CO2 (maggiore responsabile del fenomeno
dell’Effetto Serra), né inquinanti atmosferici come NOx, SOx o particolato
• Non ci sono parti in movimento, caratteristica che le rende maggiormente affidabili
• Al contrario delle normali batterie, è possibile il rifornimento dell’idrogeno (agente
riducente) e dell’ossigeno (agente ossidante)
• L’elettricità e/o il calore sono prodotti in diverse quantità, e possono perciò essere
utilizzati per applicazioni differenti, dai veicoli ai generatori di potenza, sia a livello
domestico che industriale

43. Stato dell’arte delle tecnologie e ruolo dell’idrogeno nelle microreti
H2 to POWER: produzione energia/calore
Tipi di Fuel Cells
Font: https://www.energy.gov/eere/fuelcells/comparison-fuel-cell-technologies

44. Stato dell’arte delle tecnologie e ruolo dell’idrogeno nelle microreti
H2 to POWER: produzione energia/calore
Tipi di Fuel Cells

45. Stato dell’arte delle tecnologie e ruolo dell’idrogeno nelle microretiTipi di Fuel Cells
Le SOFCs operano ad alta
temperatura (600-1000°C):
tali valori fanno sì che
possa essere evitato l’uso
di metalli preziosi come
catalizzatori, contribuendo
all’abbassamento dei
costi. L’alta temperatura
inoltre fa sì che avvenga un
Reforming interno alla
cella: in questo modo,
diversi gas combustibili
possono essere utilizzati e
si evita il costo per
l’aggiunta di un Reformer
al sistema.
L’elettrolita è
tipicamente costituito
da comuni materiali
ceramici solidi come il
YSZ (Yttria-Stabilised-
Zirconia).
Tipicamente, l’anodo è
formato da Co-ZrO2 o
Ni-ZrO2 cermet
(materiali ceramici-
metallici), il catodo è
formato da Sr-dopato-
LaMnO3.
Le SOFCs hanno
un’efficienza di
conversione da
combustibile a energia
elettrica del 60%. Per
applicazioni in co-
generazione (il calore
di scarto prodotto dalla
cella viene catturato e
utilizzato nuovamente),
l’efficienza di
conversione può
arrivare fino all’85%.
Attualmente, sono in fase di studio delle Celle ad Ossidi Solidi a bassa
temperatura (operanti intorno ai 700 °C), allo scopo di ridurre problemi di
durata e di costi. Tuttavia, queste non hanno ancora raggiunto livelli di
efficienza delle SOFCs temperature maggiori, ed i materiali per lo stack a
bassa temperatura sono ancora in fase di sviluppo.
High temperature fuel cells-SOFC
(Solid Oxide Fuel Cell)

46. Stato dell’arte delle tecnologie e ruolo dell’idrogeno nelle microretiTipi di Fuel Cells
• Le celle possono essere realizzate in diverse
forme grazie agli elettroliti solidi
• La presenza di solidi ceramici riduce il rischio di
corrosione
• Gli elettroliti solidi permettono una migliore
tenuta e questo aspetto evita il movimento
dell’elettrolita stesso
• No necessità di processamento del combustibile
all’esterno delle celle
• Sono maggiormente resistenti alla
contaminazione da solfuri; possono tollerare
infatti diversi ordini di grandezza in più rispetto
ad altre celle
• Il monossido di carbonio non crea problemi di
poisoning della membrana, ma può essere
addirittura utilizzato come combustibile. Questa
proprietà fa sì che le SOFCs possano essere
alimentate da gas naturale, biogas, e gas derivanti
dalla lavorazione del carbone.
PRO
• Diversi coefficienti di espansione termica
fra i materiali
• Difficile tenuta fra le celle in
configurazione flat-plate
• Limitazioni nell’uso dei materiali a causa
dell’alta temperatura
• Difficoltà nei processi di fabbricazione
CONTRO

47. Stato dell’arte delle tecnologie e ruolo dell’idrogeno nelle microretiTipi di Fuel Cells
L’elettrolita delle
celle PEM è
composto da una
membrana solida
polimerica: si pensi
ad un sottile strato
di teflon
Questo strato
conduttore di
protoni è il
Nafion®: se
saturato con acqua
risulta permeabile
ai protoni, ma non
deve essere
conduttore di
elettroni
Gli elettrodi sono
costituiti da una
struttura di
carbonio e
catalizzatori di
Platino
Il catalizzatore di
Platino è
l’elemento più
costoso dell’intera
cella: a causa della
sua scarsa
resistenza alla
contaminazione, è
solamente
consentito l’uso di
idrogeno ultra
puro (al 99.9999%)
La PEFC opera
tipicamente a
temperature
intorno a 50 – 100
°C e per pressioni
dell’idrogeno fra
100 e 300 kPa.
L’efficienza
raggiunta è del 50-
60%, dovuta anche
al fatto che non ci
sono limitazioni di
prestazioni come
nei comuni
dispositivi a
combustione
interna
Low temperature fuel cells-PEMFC
(Polymer Electrolyte Membrane Fuel
Cell)
2 H2O
Water H2O O
H
H
O
H
H
2 H2O
Water H2O O
H
H
O
H
HWater H2O O
H
H
O
H
H
O
H
H
O
H
H
ElectrolyteElectrolyte
Anode(-)Anode(-)
Not-utilized fuelNot-utilized fuel
Cathode(+)Cathode(+)
CatalystCatalyst
-H2
H+

 4e4H2H2
Anode
-H2
H+
--H2
H+
H2
H+H+

 4e4H2H2
Anode
H+
H+
H+
- - - -

4H
Membrane
H+
H+
H+
- - - -
H+H+
H+H+
H+H+
- - - --- -- -- --

4H
Membrane
O2
H+
-
O2H4e4HO 2
-
2  
Cathode
O2
H+
- O2
H+
O2
H+H+
--
O2H4e4HO 2
-
2  
Cathode
Fuel (H2)
H2 H2
2 H2
Fuel (H2)
H2 H2
Fuel (H2)
H2 H2
2 H22 H2
Oxidant (Air / O2)
O2
O2
Oxidant (Air / O2)
O2
Oxidant (Air / O2)
O2
O2
Reaction OHO2H 222 Reaction OHO2H 222 
Source: WBZU

48. Stato dell’arte delle tecnologie e ruolo dell’idrogeno nelle microretiTipi di Fuel Cells
• L’elettrolita solido è resistente al cross-over del
gas combustibile (passaggio da un elettrodo
all’altro)
• Start-up rapido grazie alle basse temperature
• Assenza di agenti corrosivi all’interno della cella
• È studiato che le HTPEMFC possono tollerare fino
al 3% di CO
PRO
• I ristretti limiti di temperatura rendono
difficile la gestione del calore di scarto
della cella
• Cella molto sensibile all’ avvelenamento
da parte di tracce di contaminanti
• Le HTPEMFC hanno un’efficienza minore
rispetto alle PEMFC
CONTRO

49. Stato dell’arte delle tecnologie e ruolo dell’idrogeno nelle microreti
This project has received funding from the Fuel Cells and Hydrogen 2 Joint Undertaking under grant agreement No 779606. This Joint
Undertaking receives support from the European Union’s Horizon 2020 research and innovation programme, Hydrogen Europe and
Hydrogen Europe research

50. Stato dell’arte delle tecnologie e ruolo dell’idrogeno nelle microreti
100kW 250kW
100 1000 10000 50000 100 1000 10000 50000
PEM STACK components 35.139,00 € 16.905,00 € 11.374,00 € 9.924,00 € 20.507,00 € 11.712,00 € 8.784,00 € 7.994,00 €
manufacturing 70.279,00 € 33.811,00 € 22.750,00 € 19.850,00 € 123.042,00 € 70.276,00 € 52.705,00 € 48.000,00 €
totale 105.418,00 € 50.716,00 € 34.124,00 € 29.774,00 € 143.549,00 € 81.988,00 € 61.489,00 € 55.994,00 €
€/kW 1.054,18 € 507,16 € 341,24 € 297,74 € 1.435,49 € 819,88 € 614,89 € 559,94 €
Manufacturing Cost Analysis of 100 and 250 kW Fuel Cell Systems for Primary Power and Combined Heat and Power Applications, Battelle
Memorial Institute

51. Stato dell’arte delle tecnologie e ruolo dell’idrogeno nelle microreti
Dati Everywh2ere a fine progetto
% componenti sul totale
25 kW  4600€/kW; 100 kW  3000€/kW
Stoccaggio sul costo totale:  12-15%
DATI DOE FCS:
100 kW  2300€/kW
250kW kW  1700€/kW
1000 unità/anno (2030)
100 kW  1400-1500€/kW
250kW kW  1000-1200€/kW
COSTI ALLINEATI ALLE PREVISONI DEI
COSTI STACK PEM di 300€/kW
IMPATTO ATTUALE DEI SINGOLI
COMPONENTI

52. Reversible solid oxide Electrolyzer and Fuel cell for
optimized Local Energy miX
http://www.reflex-energy.eu/
Role of Envipark: Installation and Field
test
Environment Park
Stato dell’arte delle tecnologie e ruolo dell’idrogeno nelle microreti

53. Stato dell’arte delle tecnologie e ruolo dell’idrogeno nelle microreti
L'elettrolizzatore reversibile
Al centro dell'innovativa tecnologia di
Sylfen si trova un elettrolizzatore
reversibile, che offre nuove
funzionalità: (i) funziona come un
elettrolizzatore per immagazzinare
l'eccesso di elettricità sotto forma di
idrogeno e (ii) come una cella a
combustibile per produrre elettricità e
calore da quella stesso idrogeno - o in
alternativa da (bio) –gaz per servire le
utenze di Envipark.
Con un singolo dispositivo, siamo ora
in grado di immagazzinare grandi
capacità energetiche e di restituirlo
agli utenti ogni volta che è necessario.
RES: PV+idroelettrico
Stoccaggio energia: 3 stacks fino a 40 kWe in
SOEC mode+ Batteria da 50 kWh
Utilizzo H2 e/o metano in SOFC mode

54. Stato dell’arte delle tecnologie e ruolo dell’idrogeno nelle microreti

55. Stato dell’arte delle tecnologie e ruolo dell’idrogeno nelle microreti
Power-to-Hydrogen potential revenues streams:
Idrogeno: la chiave per la
decarbonizzazione della rete
gas europea

56. Stato dell’arte delle tecnologie e ruolo dell’idrogeno nelle microreti
GRID INJECTION/POWER to GAS:
• L’idrogeno e le miscele di idrogeno-metano possono essere utilizzati come alternativa al gas
naturale per il riscaldamento degli ambienti e dell’acqua, nonché per la cottura dei cibi.
• Possono inoltre essere distribuiti attraverso la rete del gas esistente, sfruttando così l'ampia
disponibilità di infrastrutture disponibili. Poiché il riscaldamento rappresenta una delle
principali componenti dei consumi energetici e presenta le maggiori variazioni stagionali (con
una forte disparità tra l’alta domanda invernale, quando la generazione da fonti rinnovabili è
bassa, e quella estiva caratterizzata invece da un elevato apporto di elettricità rinnovabile), si
può fare ricorso alla tecnologia del Power-to-Gas (P2G), decarbonizzando le reti gas europee
e immagazzinando le energie rinnovabili in eccesso prodotte in periodi caratterizzati da bassa
domanda. Il P2G fornirebbe un contributo importante alla decarbonizzazione dei consumi
per riscaldamento con ricadute positive in termini di riduzione della dipendenza europea
dalle importazioni di gas naturale da paesi extra-UE.
• Nel breve termine, le infrastrutture gas riducono progressivamente le emissioni di carbonio
attraverso la graduale immissione di biometano, di miscele a bassa concentrazione di
idrogeno o di gas sintetico, tale da non richiedere alcuna modifica strutturale.
• Nel più lungo periodo, per traguardare la completa decarbonizzazione sarà necessario
puntare su quote crescenti di idrogeno, metano sintetico e biometano con le necessarie
standardizzazioni.

57. Stato dell’arte delle tecnologie e ruolo dell’idrogeno nelle microreti
GRID INJECTION/POWER to GAS:
• quantità di idrogeno nella rete del gas è limitata e ridotta, a seconda delle norme e dei
regolamenti specifici del paese.
• A livello europeo, variazione da un massimo di 10-12% in volume di idrogeno iniettato
(Germania e Olanda) a un livello minimo (Svezia e Danimarca non superano il 2% in
volume), e alcuni progetti dimostrativi futuri sono programmato per paesi come il Belgio e il
Regno Unito, che non hanno provato l'iniezione diretta ma la cui produzione di H2 da FER
associata ai processi di elettrolisi è già stata lanciata.
• A livello canadese e americano, è previsto che la rete del gas naturale sia tollerante per la
miscelazione di idrogeno 1-5% in qualsiasi punto della rete e fino al 20%% nelle tubazioni di
distribuzione senza apparecchiature critiche a valle.
INIZIEZIONE A MAGGIORE CONCENTRAZIONE DIPENDE DA FATTORI:
• INFRAGILIMENTO dei materiali esistenti;
• probabilmente necessarie ulteriori misure di monitoraggio e manutenzione della tubazione,
che richiedono investimenti sul lato TSO / DSO del gas
• La mancanza di incentivi e sistemi di compensazione per premiare i servizi di accumulo
dell'energia è un elemento chiave di un caso commerciale commerciale che al momento
non è abbastanza chiaro (ad esempio ai sensi della legge tedesca sulle fonti energetiche
rinnovabili (EEG) ) - devono essere definiti flussi di remunerazione / monetizzazione delle
entrate

58. Stato dell’arte delle tecnologie e ruolo dell’idrogeno nelle microreti
GRID INJECTION/POWER to GAS:

59. ENVIRONMENT PARK S.p.A.
Via Livorno, 60 - 10144 Torino - IT
T +39.011.2257111
F +39.011.2257225
envipark.com
Sabina Fiorot
T +39 011.2257267
E sabina.fiorot@envipark.com