Le fonti energetiche rinnovabili stanno vivendo un periodo di rapida crescita. Tuttavia, le fonti di energia rinnovabile come il solare e l’eolico soffrono di squilibri tra domanda e offerta, perché i loro periodi più produttivi sono quando la domanda di elettricità è più bassa, portando a un surplus di energia inutilizzata, e sono meno produttive quando la domanda di elettricità raggiunge i picchi, portando a energia carenze che devono essere colmate con altri mezzi. Per affrontare questo problema, le energie rinnovabili devono essere integrate con altre fonti di energia dispacciabili, che possono adeguare istantaneamente la produzione per soddisfare i cambiamenti nella domanda di energia. Un’opzione promettente per svolgere questo ruolo di energia dispacciabile è l’immagazzinamento dell’energia nell’idrogeno.
Lo stoccaggio dell’energia nell’idrogeno
Lo stoccaggio dell’energia nell’idrogeno è un processo in cui l’eccedenza di energia creata dalle energie rinnovabili durante i periodi di bassa domanda di energia viene utilizzata per alimentare l’elettrolisi, un processo in cui una corrente elettrica viene fatta passare attraverso una soluzione chimica per separare l’idrogeno.
Una volta creato l’idrogeno attraverso l’elettrolisi, può essere utilizzato nelle celle a combustibile fisse, per la produzione di energia, per fornire carburante ai veicoli a celle a combustibile, iniettato nelle condutture del gas naturale per ridurre la loro intensità di carbonio o persino immagazzinato come gas compresso, liquido criogenico o varietà di composti di idruri a legame debole per un uso successivo.
L’idrogeno creato attraverso l’elettrolisi si sta dimostrando molto promettente come scelta di carburante economico, con i dati dell’Agenzia internazionale per l’energia che prevedono che l’idrogeno generato dal vento sarà più economico del gas naturale entro il 2030.
Mentre altre forme di stoccaggio dell’energia, come le batterie e gli impianti di stoccaggio dell’acqua pompata, possono soddisfare le stesse esigenze energetiche dispacciabili, entrambe presentano limitazioni che lo stoccaggio di energia dell’idrogeno può superare. Le batterie subiscono il degrado dello stoccaggio e possono immagazzinare solo una quantità limitata di energia, mentre il combustibile a idrogeno può essere immagazzinato per lunghi periodi di tempo e in quantità limitate solo dalle dimensioni degli impianti di stoccaggio.
Secondo Steve Szymanski, Direttore dello sviluppo aziendale presso il membro FCHEA Nel Hydrogen, “le batterie sono più adatte per tempi di scarica di 4 ore o meno. L’accumulo di energia a idrogeno può soddisfare esigenze di durata più lunga (diciamo giorni o addirittura settimane). Sebbene lo stoccaggio dell’acqua pompata non soffra delle stesse limitazioni di durata e capacità delle batterie chimiche, può essere utilizzato solo in aree geografiche limitate dove sono presenti colline o montagne, richiede vaste aree di terreno e può essere proibitivo da costruire”.
Esempi di accumulo in idrogeno dell’energia rinnovabile
L’accumulo di energia a idrogeno ha dimostrato i suoi meriti oltre il laboratorio attraverso progetti reali. Ad esempio, nel 2018 Enbridge Gas Distribution e Hydrogenics, membro della FCHEA, hanno aperto il primo impianto multi-megawatt power-to-gas del Nord America utilizzando idrogeno da fonti rinnovabili, il Markham Energy Storage Facility da 2,5 MW in Ontario, Canada. L’impianto sta attualmente fornendo servizi di regolazione della rete sotto contratto con l’operatore del sistema elettrico indipendente dell’Ontario.
In Europa sono stati creati molti progetti di stoccaggio dell’energia dell’idrogeno, come l’Energiepark Mainz in Germania, un progetto che coinvolge il membro FCHEA Linde, in collaborazione con Siemens, la Rhein Main University of Applied Sciences e Mainzer Stadtwerke. L’Energiepark utilizza l’energia eolica in eccesso per creare combustibile a idrogeno, che viene poi utilizzato per generare energia quando l’energia eolica non può soddisfare la domanda.
Orsted, la più grande azienda energetica danese, sta pianificando di utilizzare l’energia in eccesso dai suoi parchi eolici del Mare del Nord proposti per alimentare l’elettrolisi e creare energia rinnovabile a idrogeno. I parchi eolici proposti avrebbero una capacità nominale di 700 MW e sarebbero collegati direttamente alla rete. Durante i periodi di tempo in cui i parchi eolici fornivano energia in eccesso, questa potenza in eccesso sarebbe stata utilizzata per generare idrogeno attraverso l’elettrolisi che sarebbe poi stato venduto a grandi clienti industriali.
Negli Stati Uniti, lo stoccaggio dell’energia dell’idrogeno ha iniziato a mostrare risultati promettenti attraverso test in corso e progetti promettenti. Ad esempio, SoCalGas, un fornitore di gas naturale con sede nel sud della California, ha collaborato a progetti di stoccaggio dell’energia dell’idrogeno:
- Con il National Fuel Cell Research Center dell’Università della California a Irvine, SoCalGas ha installato un elettrolizzatore alimentato dal sistema elettrico solare del campus, che genera idrogeno rinnovabile da immettere nella centrale elettrica del campus.
- Con il National Renewable Energy Laboratory, SoCalGas ha costruito un sistema di reattore di biometanazione, che utilizza un elettrolizzatore ad acqua per produrre idrogeno da energia rinnovabile, attraverso un bioreattore che converte idrogeno e anidride carbonica in metano e acqua.
Stoccaggio di grandi quantità di idrogeno ed efficienze di conversione
Piccole quantità di idrogeno (fino a pochi MWh) possono essere immagazzinate in recipienti pressurizzati, oppure idruri metallici solidi o nanotubi possono immagazzinare idrogeno con una densità molto elevata.
Grandi quantità di idrogeno possono essere immagazzinate in caverne di sale sotterranee costruite fino a 500.000 metri cubi a 2.900 psi, il che significherebbe circa 100 GWh di elettricità immagazzinata. In questo modo è possibile livellare periodi più lunghi di difetti o di produzione di energia eolica/fotovoltaica in eccesso. Potrebbe anche essere possibile bilanciare le variazioni stagionali.
L’idrogeno può essere rielettrificato in celle a combustibile con efficienze fino al 50%, o in alternativa bruciato in centrali a gas a ciclo combinato (efficienza fino al 60%).
L’immagazzinamento di energia a idrogeno è un’altra forma di accumulo di energia chimica in cui l’energia elettrica viene convertita in idrogeno. Questa energia può quindi essere nuovamente rilasciata utilizzando il gas come combustibile in un motore a combustione o in una cella a combustibile.
L’idrogeno può essere utilizzato come carburante per motori a pistoni, turbine a gas o celle a combustibile a idrogeno, quest’ultima che offre la migliore efficienza. Lo stoccaggio dell’energia dell’idrogeno è interessante perché il gas costituisce la base per l’economia dell’idrogeno in cui sostituisce il combustibile fossile in molte applicazioni di combustione.
