LO STATO DELL’ARTE DELLA
RICERCA NEL CAMPO DELLE
FONTI RINNOVABILI
Fabrizio Cumo, Fabio Fraticelli
Università di Roma “Sapienza”
Prof. Ing.
Ing. Fabrizio Cumo – Università di Roma “Sapienza”
TECNOLOGIA FOTOVOLTAICA
L’interese della ricerca si focalizza sullo sviluppo di
tecnologie di produzione di celle fotovoltaiche basate
sull’impiego di nuovi materiali e su processi di
fabbricazione innovativi.
Infatti i processi di liquefazione, cristallizzazione e
drogaggio necessari per la realizzazione di celle solari al
cilicio, che oggi dominano il mercato, rendono tale
tecnologia costosa.
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Ing. Fabrizio Cumo – Università di Roma “Sapienza”
Fotovoltaico Organico
L’uso di “film sottili” permette di diminuire la quantità di
materiale impiegato. In quest’ambito, una delle
tecnologie più interessanti è quella del fotovoltaico
organico, che ha iniziato a farsi strada nei laboratori di
ricerca internazionale attorno agli anni Novanta.
• Le celle solari organiche sono dispositivi la cui parte
fotoattiva è basata sui composti organici del carbonio.
La gamma di celle solari organiche è ampia e si trova in
diversi stadi di ricerca e di maturazione tecnologica.
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Ing. Fabrizio Cumo – Università di Roma “Sapienza”
Celle Solari Organiche:
• La parte fotoelettricamente attiva, spessa qualche
micrometro ed inserita tra due elettrodi, è costituita da:
un pigmento organico, da ossido di titanio da un elettrolita.
Ispirandosi al processo di fotosintesi clorofilliana, queste
celle utilizzano una miscela di materiali in cui un
pigmento assorbe la radiazione solare e gli altri
componenti estraggono la carica per produrre elettricità.
La gamma di pigmenti che possono essere impiegati varia da quelli
estratti da composti vegetali ( come le antocianine derivate dai frutti
di bosco) a quelli ottimizzati per via chimica.
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Ing. Fabrizio Cumo – Università di Roma “Sapienza”
I nuovi materiali
• Il grosso vantaggio dei nuovi materiale è che
possono essere depositati su larghe aree a
costi ridotti, sia in soluzione liquida come veri
e propri inchiostri o paste o attraverso
semplici processi di evaporazione.
• Le attività di ricerca, infatti, sono indirizzate a
definire processi di fabbricazione attraverso
metodi tipici dell’industria della stampa.
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Ing. Fabrizio Cumo – Università di Roma “Sapienza”
Estrazione di Energia Geotermica da depositi salini
a media- bassa profondità
Sistemi a bassa entalpia: caratterizzati da una temperatura del serbatoio < 125°C.
Utilizzo del calore per scopi diretti
Applicazioni:
Gli impieghi non elettrici dei fluidi geotermici, possono essere raggruppati nelle
seguenti categorie di utilizzo:
• Usi agricoli, zootecnici e di acquacoltura;
• Riscaldamento- climatizzazione di luoghi abitati ed altri usi civili.
• Usi industriali.
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Ing. Fabrizio Cumo – Università di Roma “Sapienza”
Metodo innovativo
I depositi salini o i duomi salini costituiscono delle anomalie geotermiche.
Il salgemma quando è puro ha una conduttività pari a 17 cgs.
Esprimendoci in unità 10-3 cgs, le rocce sedimentarie hanno una conduttività
compresa fra 1,0 e 8,0; le rocce metamorfiche da 5,2 a 8,4; le rocce ignee da
3,1 a 9,8.
Un deposito salino poco profondo può funzionare come un condotto per portare il calore
verso la superficie dall’interno della crosta terrestre.
Regioni d’interesse sul territorio nazionale: Sicilia, Toscana, (anidridi di Burano)
Campania, Basilicata.
Scambiatore di calore geotermico
Basso impatto ambientale:
• Nessun inquinamento dell’aria e dell’acqua;
• Nessun impatto visivo;
• Nessun rumore prodotto dall’impianto.
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Ing. Fabrizio Cumo – Università di Roma “Sapienza”
Estrazione di Energia Geotermica da depositi
salini a media- bassa profondità
• Depositi del Trias superiore (160.000 di anni fa).
• Affioramenti si trovano in tutta la Toscana, lungo il
•
crinale appenninico dal Passo del Cerreto fino a Perugia.
A Nord dell'Arno sono presenti solo ad Est delle Alpi
Apuane (Passo del Cerreto e Soraggio); a Sud dell'Arno
sono diffuse dal Tirreno fino all'Umbria, fatta eccezione
per l'Argentario e il nucleo metamorfico della Montagnola
Senese.
In sondaggio sono state incontrate a Pontetetto di
Lucca, immediatamente a Nord del Nucleo Metamorfico
Pisano, e in tutta la Toscana meridionale.
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Ing. Fabrizio Cumo – Università di Roma “Sapienza”
CELLE A COMBUSTIBILE
•Le celle a combustibile convertono direttamente aria e combustibile in
energia elettrica, calore e acqua attraverso un processo termochimico con
rendimenti di conversione maggiori rispetto a quelli delle macchine termiche
tradizionali.
•Le FC operano in maniera continua finché al sistema viene fornito
combustibile ed ossidante.
•Non hanno parti mobili e pertanto hanno meno perdite di rendimento e
minori emissioni dei motori convenzionali.
VANTAGGI
•
•
•
•
•
•
•
Elevata efficienza.
Emissioni nulle utilizzando idrogeno.
Semplicità meccanica.
Assenza di vibrazioni.
Bassa rumorosità.
Ridotta necessità di manutenzione.
Possibilità di cogenerare con rapporti
elettricità/calore superiori rispetto agli
impianti CHP convenzionali.
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Ing. Fabrizio Cumo – Università di Roma “Sapienza”
TIPOLOGIE DI CELLE A COMBUSTIBILE
CELLE A BASSA TEMPERATURA
AFC
Vantaggi
Svantaggi
Applicazioni
Densità di
potenza elevata
PEFC
Elettrolita non
volatile,
Minimi problemi
di materiali e
corrosione,
Alta densità di
potenza,
Resistenza a CO2,
Bassi tempi di
avviamento
CELLE AD ALTA TEMPERATURA
PAFC
MCFC
SOFC
• Disponibilità di
Resistenza a
CO2,
Alta efficienza
globale in
applicazioni
cogenerative,
Tecnologia
matura
Nessuna
resistenza a
CO e scarsa al
CO2,
Estrema
purezza gas di
alimentazione
Bassa tolleranza a
CO,
Problemi di
gestione dell’H2O;
Durata ridotta
Bassa
tolleranza a
CO
Appl. Spaziali,
generatori
portatili,
trasporto
Piccoli generatori
per cogenerazione
e usi residenziali,
trasporto
Cogenerazion
e,
potenza
distribuita
•
•
•
•
calore ad alta
temperatura;
Rendimento
elevato;
Possibilità di
reforming interno
Lunga durata
Bassi costi
prodotto
industrializzato
• Ricircolo di CO2,
• Alto tempo di
•
avviamento
Autosostentamento
• Cogenerazione
•
industriale,
potenza
distribuita
Disponibilità di
calore ad alta
temperatura,
Assenza di
catalizzatori,
Rendimento
elevato
Sollecitazioni
termiche elevate
nei materiali,
Alto tempo di
avviamento
Cogenerazione
industriale,
potenza
distribuita
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Ing. Fabrizio Cumo – Università di Roma “Sapienza”
LE CELLE A COMBUSTIBILE AD ALTA TEMPERATURA
CONSENTONO DI SFRUTTARE IL CALORE AD ALTA
TEMPERATURA PER SCOPI COGENERATIVI.
Nel campo delle FC operanti a temperature elevate, le celle a
combustibile a carbonati fusi (Molten Carbonate Fuel Cell – MCFC)
presentano prerogative interessanti che ne potrebbero permettere
l’affermazione nel settore residenziale:
BASSI COSTI di realizzazione del prodotto industrializzato;
elevato grado di TOLLERABILITA’ delle impurezze che consente
l’alimentazione diretta con il metano della rete o distillati leggeri;
REFORMING interno del combustibile.
PRINCIPALE SVANTAGGIO DELLE MCFC: AUTOSOSTENTAMENTO
che ha finora limitato lo stato della tecnologia a taglie > 100 kW
precludendone l’accesso al mercato del residenziale.
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Ing. Fabrizio Cumo – Università di Roma “Sapienza”
ATTIVITA’ DEL LABORATORIO DI
CELLE A COMBUSTIBILE
Le principali attività del laboratorio celle a combustibile di
Terni riguardano lo studio, lo sviluppo e la prototipazione di
un’innovativa tipologia di cella a combustibile, unica nel
panorama mondiale, basata sulla tecnologia dei carbonati fusi e
sulla geometria cilindrica di taglia idonea ad applicazioni
cogenerative residenziali (3 - 5 kW) in grado di essere alimentata
dal gas di rete e con efficienze paragonabili a quelle delle nuove
centrali di ciclo combinato (50% circa).
Tale attività ha portato alla realizzazione di 3 prototipi e 1 brevetto.
I principali benefici introdotti dalla tecnologia brevettata sono:
elevata efficienza elettrica;
minimizzazione delle dispersioni termiche verso l’esterno;
possibilità di alimentazione con diversi tipi di combustibili tra cui metano di rete;
elevata durata (attualmente si è arrivati a circa 16.000 ore di funzionamento);
tenuta dei gas tra i diversi piatti meno problematica grazie all’adozione di una
geometria cilindrica;
modularità consentita dalla presenza di manifolds interni;
possibilità di cogenerazione a partire dai 2,5 kW.
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Ing. Fabrizio Cumo – Università di Roma “Sapienza”
Le prove sperimentali hanno consentito
di ottenere i seguenti risultati:
• perfezionamento delle PROCEDURE
DI
CONDIZIONAMENTO
DEI
COMPONENTI ATTIVI DI CELLA,
in relazione alle maggiori dimensioni,
che ha portato alla codifica di un
protocollo da seguire per lo start-up;
• individuazione
dei
PROBLEMI
STRUTTURALI E DI MATERIALI,
correlati alle maggiori dimensioni
della cella, principalmente dovuti alle
alte temperature.
TECNOLOGIE INNOVATIVE NELLA CONVERSIONE ENERGETICA
DA BIOMASSA
L’utilizzo delle biomasse ha un potenziale stimato in Italia pari a circa 21-23 Mtep e copre
solo il 2,5 del fabbisogno energetico nazionale.
Le tecniche più mature per la valorizzazione energetica delle biomasse sono:
– La combustione diretta
– La trasformazione in biocombustibili liquidi (biodiesel da specie oleaginose
e bioetanolo da specie zuccherine e amidacee);
– La produzione di biogas da fermentazione anaerobica di reflui zootecnici, civili
o agroindustriali
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Ing. Fabrizio Cumo – Università di Roma “Sapienza”
Nel settore della ricerca applicata la tecnologia più prossima alla fase di preindustrializzazione è quella della gassificazione:
Il processo di gassificazione consiste nella trasformazione di un combustibile solido,
nel caso della biomassa, in combustibile gassoso, tramite la reazione con l’ossigeno.
Ricerche in corso:
Gassificazione con OssigenoSviluppo proecesso gassificaizone ad O con
studio della fluidodinamica e della cinetica chimica;
Gassificazione con Vapore: Sviluppo di gassificatore pressurizzato a vapore
e possibili ottimizzazioni impiantistiche;
Pulizia Gas prodottoSviluppo sistemi di cleaning del gas per l’eliminazione
di polveri;
Water Shift a COConversione catalitica del CO in H con reattori fissi;
Separazione H2 Sviluppo e messa a punto di tecniche per la separazione
dell’H mediante adsorbimento selettivo con membrane;
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Ing. Fabrizio Cumo – Università di Roma “Sapienza”
La ricerca nazionale e internazionale è maggiormente impegnata sui processi di
conversione quali la pirolisi:
La pirolisi è un processo termico di degradazione della biomassa.
Attraverso la pirolisi il materiale lignocellulosico viene generalmente trasformato in una
frazione ”gassosa” a basso-medio potere calorifico, una frazione “liquida oleosa”
contenente acqua e composti organici a basso-medio peso molecolare ed un prodotto
“solido” carbonioso.
Ricerche in corso:
Chimica degli Oli di PirolisiStabilizzazione degli oli per medi-periodi (2-6 mesi);
Reforming H2Conversione catalitica in H con reattori fissi.
Recenti studi stanno valutando la possibilità di impiegare l’olio di pirolisi per la
produzione di H2 attraverso reforming catalitico per applicazioni su celle a
combustibile.
Da segnalare il progetto BIOELECTRICITY (Efficient and clean production of electricity
from biomass via pyrolysis oil and hydrogen, utilizing fuel cells) cofinanziato dalla UE e a
cui partecipano, oltre ad ENEA ed Ansaldo, diversi istituti ed università europee.
L’obiettivo del progetto è la messa a punto di un processo catalitico per il reforming
dell’olio di pirolisi in idrogeno e monossido di carbonio, per alimentare una fuel cell a
carbonati fusi in applicazioni stazionarie.
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Ing. Fabrizio Cumo – Università di Roma “Sapienza”
Biocombustibili liquidi da fermentazione alcolica: processo biochimico di
trasformazione degli zuccheri in alcol etilico
Ricerche in corso:
Pretrattamento con vapore delle biomasseAggiunta di catalizzatori acidi o
basici per aumentare il recupero dei carboidrati.
Fermentazione dell’emicellulosaSelezionare ceppi in grado di convertire i
C5 (zuccheri a 5 atomi di C) in etanolo con alta produttività
Idrolisi enzimatica della cellulosamiglioramento delle rese di conversione e
recupero degli enzimi
Nell’ambito del progetto BIOPAL (Bioplastics
(Bioplastics and biofuels from algae,
algae, cofinanziato dalla UE, VFP) l’ENEA ha verificato
con successo la possibilità di utilizzare le piante marine piaggiate
iate
del genere Zostera per produrre etanolo.
piagg
Tali processi presentano difficoltà tecnicotecnico-scientifiche in corso di superamento, che ancora incidono sulla economicità,
ma allo stesso tempo costituiscono un forte stimolo alla ricerca.
ricerca.
Il processo di steam explosion consiste nell’uso di vapore saturo ad alta pressione per riscaldare
riscaldare rapidamente la
biomassa in un reattore continuo o discontinuo.
Le attività di ricerca hanno dimostrato che le biomasse lignocellulosiche possono essere convertite in etanolo con rese
significative. Per esempio, i ricercatori del CIEMAT (Spagna) hanno
hanno sviluppato un processo per produrre 1 litro di
etanolo da 6 kg di paglia, ad un costo di 18 c€,
c€, mentre un litro prodotto da orzo (ne occorrono 3 kg) costa 36 c€.
c€.
Stime indipendenti effettuate dall’ENEA porterebbero molto più prudentemente
prudentemente a collocare il prezzo dell’etanolo da
lignocellulosici (escludendo l’accisa) in linea con quelli alla pompa degli idrocarburi.
idrocarburi.
Prof. Ing.
Ing. Fabrizio Cumo – Università di Roma “Sapienza”
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Ing. Fabrizio Cumo – Università di Roma “Sapienza”
Isole 1+3
Cogenerazione con motore a
combustione interna
combustibile
100%
perdite
12%
energia
termica
56%
energia
meccanica
44%
energia
termica utile
44%
energia
elettrica
42%
perdite
2%
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Ing. Fabrizio Cumo – Università di Roma “Sapienza”
Isola 2
Solare termico produzione fluido
caldo a bassa temperatura
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Ing. Fabrizio Cumo – Università di Roma “Sapienza”
Isola 4
Solare termico produzione fluido caldo
ad alta temperatura (tubi sottovuoto)
Prof. Ing.
Ing. Fabrizio Cumo – Università di Roma “Sapienza”
Isola 5
Celle a combustibile: utilizzo dell’idrogeno
Prof. Ing.
Ing. Fabrizio Cumo – Università di Roma “Sapienza”
Isola 6
Moduli fotovoltaici conversione di energia
solare in energia elettrica
Prof. Ing.
Ing. Fabrizio Cumo – Università di Roma “Sapienza”
Isole 7+8
Trigenerazione con microturbina e
macchine ad assorbimento
combustibile
100%
perdite
13%
energia
termica
68%
energia
meccanica
32%
energia
termica utile
55%
energia
elettrica
30%
perdite
2%
energia
frigo
45%
Prof. Ing.
Ing. Fabrizio Cumo – Università di Roma “Sapienza”
