Quest’oggi per la rubrica Energia e Futuro affrontiamo un tema particolarmente interessante, anticipando con questo post la presentazione della tecnologia delle Celle a Combustibile, infatti si parlerà di una particolare soluzione basata su di esse denominata BloomEnergy.
Tutto è iniziato a febbraio 2010 quando tra i media ha iniziato a spargersi la notizia di una “rivoluzione” sulle tecnologie per l’energia capace di rappresentare una soluzione valida, efficiente e pulita per la produzione di energia.
Abbandonando gli annunci sensazionalistici, e nello spirito di questa rubrica, andiamo ora a vedere di cosa si tratta realmente, pur senza entrare in esposizioni tecniche troppo complicate.
BLOOMENERGY – DI COSA SI TRATTA?
BloomEnergy è il nome di una compagnia Americana nata nel 2002 con il nome Ion America e successivamente rinominata nel 2006 con il nome attuale, che ha sviluppato e prodotto un particolare tipo di Cella a Combustibile basato su tecnologie di derivazione aerospaziale sviluppate dall’Ing. K.R. Sridhar mentre lavorava per la NASA al progetto sull’esplorazione di Marte.
La necessità di disporre di ossigeno richiese lo sviluppo di un dispositivo che, alimentato con metano ed anidride carbonica, oltre ovviamente energia elettrica, fosse in grado di produrre appunto ossigeno.
Con il cambiamento dei piani della NASA, Sridhar pensò di “invertire il processo” per produrre energia elettrica a partire dal metano, senza passare attraverso la combustione.
Trovati i fondi per creare le strutture necessarie allo sviluppo di questa tecnologie, ha inizio la fase di ricerca vera e propria alla quale segue la realizzazione del BloomEnergy Box, ovvero uno stack di celle a combustibile racchiuso in un contenitore di ridotte dimensioni, realizzate con la tecnologia sviluppata dall’azienda.
La tecnologia sviluppata da BloomEnergy si basa sulle solid oxide fuel cell (SOFC), (le cui caratteristiche generali verranno esposte in successivi post sulle fuel cell) ed il “segreto” su cui si basa la loro innovatività non è molto chiaro, esistono ipotesi che ritengono si tratti dei particolari rivestimenti di anodo e catodo, mentre altre ipotesi attribuiscono tali caratteristiche ai materiali usati per le piastre ceramiche che costituiscono la parte più evidente della fuel cell, ma ad oggi non sembra chiaro quale sia questa particolarità.
Una immagine di una “slice” con il rivestimento anodico e catodico è la seguente:
BLOOMENERGY SERVER
Per potere fornire quantitativi di energia consistenti sono stati realizzati dei server, overo dei grossi blocchi di fuel cells racchiusi in unità dalle dimensioni di piccoli containers, che collegate tra di loro possono fornire la scalibilità in termini di potenza ed energia richiesta dalle utenze:
Alcuni server sono stati installati e testati da diverse compagnie molto note negli USA e nel mondo, quali Ebay, Google, FedEx ed altre ed i risultati sono stati incoraggianti, a detta di BloomEnergy e delle aziende che hanno ospitato i server, permettendo un sostanzioso risparmio in termini economici rispetto all’acquisto dell’energia.
BLOOMENERGY – COME FUNZIONA
La soluzione proposta da BloomEnergy appare come risolutiva rispetto al problema principale che caratterizza la produzione di energia, ovvero quello relativo alle emissioni, in quanto da più parti è stata ritenuta una tecnologia non inquinante in quanto non vi è presenza di combustione.
Il processo necessita come “fuel” metano o gas naturale,ma per semplicità è meglio riferirsi al metano la cui formula chimica è nota ai più, il quale si combina con l’ossigeno presente nell’aria e produce anidride carbonica e vapore acqueo come prodotti:
CH4 + 2O2 → CO2 + 2H2O
Da un’analisi di tale reazione chimica non si nota differenza alcuna con la combustione del metano, eccetto per la presenza tipica nel caso di combustione di componenti come gli ossidi di azoto NOx (in caso di combustione di gas naturale o metano non si ha produzione di particolato ed ossidi di zolfo), inoltre tale reazione produce un ammontare di CO2 assolutamente identico al corrispettivo prodotto dalla stessa quantità di combustibile nel caso di utilizzo in un impianto a combustione, e l’energia rilasciata dalla reazione e quindi sfruttabile ai fini della conversione elettrica risulta esattamente lo stesso.
Da questo primo punto è evidente come si possa ritenere una soluzione “ecologica” esclusivamente a patto di non riferirsi alla CO2, il cui ammontare riferito all’unità di metano consumato è identico.
Un punto importante che può differenziare in termini ambientali questa soluzione rispetto ad una tradizionale risiede nell’efficienza, ovvero quale è la percentuale di energia primaria (energia chimica del fuel) che viene convertita realmente in energia elettrica, misurata ai punti di connessione dell’impianto con la rete o con l’utenza.
Per quanto riguarda un impianto a ciclo combinato moderno tale efficienza si attesta sul 58 – 60%, con un trend di crescita verso il 65% nel futuro, mentre la soluzione proposta da BloomEnergy (dato calcolato a partire dal consumo indicato alla potenza nominale dal produttore) presenta un rendimento di circa il 52%.
I costi della di tale soluzione sono di circa 800mila dollari Americani per la soluzione da 100kW di potenza nominale, e la vita utile è valutata in 10 anni di esercizio.
Tali dati sicuramente saranno soggetti ad un miglioramento con l’industrializzazione della produzione, pertanto è auspicabile una riduzione del costo di tali dispositivi ed un aumento della vita utile, soprattutto perché gli equivalenti termoelettrici presentano vite operative superiori ai 20 anni.
Il costo del kWh viene indicato come più conveniente rispetto ad un tradizionale impianto termoelettrico, anche se su questo punto non sembra ci siano dei dati validati in quanto per valutare il costo del kWh bisogna tenere conto anche del costo dell’impianto e la grande variabilità dei costi a kWh per le tecnologie tradizionali in funzione del tipo di impianto e del combustibile utilizzato, pertanto allo stato attuale sembra poco credibile tale convenienza.
Da questa analisi resta il dubbio su quale sia il vero vantaggio di tale soluzione, fortemente sponsorizzata da personaggi celebri come l’ex Segretario di Stato Americano Colin Powell, ed in effetti sembra che l’hype creato intorno a questa tecnologia sia in gran parte esagerato, ma bisogna riconoscere alcune qualità interessanti, tra tutte la sua compattezza e scalabilità che ne consente un impiego per la generazione distribuita, mediante la quale è possibile ridurre le perdite di energia delle linee di distribuzione, ma si introducono d’altro canto dei problemi di gestione della rete che richiedono un’attenta progettazione delle stesse.
Per quest’oggi è tutto, a lunedì prossimo, sempre su AppuntiDigitali, sempre sulla nostra rubrica Energia e Futuro.
Gia’ poter eliminare completamente il particolato non e’ cosa da poco, per non parlare del rumore: credo che il vero vantaggio sia nel fatto che il gas naturale in america potrebbe costare *zero*: non molti sanno che l’America e’ l’equivalente dell’arabia saudita .. per il gas; e i loro giacimenti sono tutti “untapped”!
Niente di piu’ facile che qualcuno abbia chiesto una concessione, fatto “un buco per terra” ed abbia iniziato ad estrarre gas in piccola scala
Domanda: le SOFC lavorano ad altissima temperatura, pertanto generano una quantità considerevole di calore “utile”, fondamentalmente circa il 50% dell’energia consumata.
Questi armadi però a prima vista non contengono nulla che sia in gradi di sfruttarla (e a ben vedere non sono nemmeno ventilati sembrando chiusi).
L’idea che mi viene è che si sia riusciti a costruire un apparato commercialmente valido e tecnologicamente affidabile che permetta di esssere usato come fonte termica con uno scambio probabilmente acqua-olio, dove l’olio è usato per asportare il calore in eccesso e mantenere le temperature operative nel range corretto e l’acqua usata per raffreddare l’olio trasportando il calore dove serve. Idealmente visto che le sofc lavorano a carico “costante”, sarebbe un buon sistema per ottenere acqua calda a 130-150°C con cui poter azionare un ciclo frigorifero ad assorbimento nella stagione estiva. Dall’esperienza personale con temperature inferiori ai 115-110°C la resa degli assorbitori è troppo bassa.
Comunque rimarrebb il consumo di acqua necessario per le torri di raffreddamento, che diventerebbero quasi indispendabili.
In buona sostanza concordo con te che nonostante i proclami relativi a questa soluzione (che peraltro ho conosciuto solo adesso) non si tratti di nulla di nuovo, casomai è probabile uno sviluppo a livello tecnologico del sistema.
Bisogna anche considerare che l’efficienza intorno al 60% di una centrale a ciclo combinato va diminuita di un 10% circa per le perdite di trasporto, mentre se si genera l’elettricità sul posto questo 10% di perdite non si registrano.
Per il resto effettivamente c’è stato molto hype su questa bloom energy. E’ sicuramente interessante, soprattutto in certi ambiti, ma non è ne completamente ecologica, ne potrà soppiantare la normale generazione di energia elettrica.
Potrebbe essere interessante come supplemento di una fonte d’energia “verde” e variabile, ad esempio come “coadiuvante” dei pannelli solari.
Beh, in effetti tutto si gioca sull’efficienza… nelle presentazioni iniziali questa veniva data come superiore a qualsiasi ciclo combinato, quindi sembrava avere un vantaggio in quel senso. Probabilmente in quei calcoli veniva anche considerata l’energia termica recuperata e riutilizzata all’interno degli edifici per la climatizzazione, magari con pompe di calore…
Di più non saprei, cmq diciamo che la parte di hype dietro molte presentazioni di clean energy è scontata (vedere nanosolar).
Sperem
@ Ilruz
Anche un ciclo combinato a gas naturale o metano non emette quantità rilevanti di particolato (anche BloomEnergy non emette proprio zero, ma comunque livelli molto bassi) e può venire considerato nullo.
@ Arkanoid
Onestamente non saprei sull’aspetto del recupero del calore… le SOFC lavorano ad alta temperatura, ma quella temperatura è necessaria per le reazioni e di conseguenza non deve scendere…
@ AlexGatti
Sicuramente BloomEnergy presenta il vantaggio della scalabilità senza influenzare il rendimento, cosa che per gli impianti tradizionali diventa difficile ottenere… un ciclo combinato con 60% di rendimento non è un impiantino da 100-200kW, anche se per utenze industriali che richiedono svariati MW si avrebbe anche con il ciclo combinato una connessione diretta eliminando le perdite di rete
@ btbbass
Non saprei se per le loro dichiarazione abbiano tenuto conto di un eventuale recupero di calore, la mia impressione è che abbiano paragonato in maniera molto “di parte” la loro soluzione, ma questo non è certo un comportamento inedito, in fin dei conti mai chiedere all’oste se il vino è buono… per il resto sembra comunque una soluzione con ottime potenzialità, che ovviamente andranno verificate e sviluppate sotto molti aspetti, non ultimo il costo della tecnologia e la vita operativa
Bell’articolo, non sapevo dell’esistenza di questa tecnologia. Comunque concordo con le conclusioni dell’autore, non è una tecnologia che si può definire “completamente verde”, sia per la tipologia di emissioni e sia per il fatto che comunque non utilizza fonti rinnovabili. Magari promette bene se, in futuro, cambierà il modo di distribuire l’energia, passando dall’attuale sistema ad uno a Griglia intelligente, magari come dicea qualcuno, affiancato al fotovoltaico
le fuel cell potrebbero trovare impiego solo su dispositivi di medie dimensioni (dal portatile all’automobile) con richieste energetiche limitate nel tempo. in queste situazioni rappresentano infatti un buon compromesso tra portabilità, autonomia, efficienza. se non fosse per il costo: finchè i catalizzatori saranno fatti con il platino platinato, leghe con drogaggi di terre rare o altre sofisticatezze costosissime le fuel cell non saranno mai un’alternativa praticabile, soprattutto per i grossi impianti.
quanti soldi sono stati sprecati in questa tecnologia.. quanti ricercatori anche di mia conoscenza ci hanno campato, sfruttando il clamore creatovisi attorno.
sarebbe stato meglio investire di più sul nucleare (soprattutto per aumentare l’efficienza della fusione).
OT1
secondo me il modo migliore di utilizzare una fonte energetica in casa è un bel motore a scoppio! o una piccola turbina, non so. il concetto è quello di bruciare il metano o il gasolio nel motore che regolato al regime ottimale direi può avere un 30% d’efficienza nel trasformare l’energia chimica in energia meccanica. questa energia meccanica la trasformiamo in energia elettrica con un efficienza del 70%. efficienza totale 21%. il restante 79% d’energia va in calore. calore che noi prendiamo dai circuiti di raffreddamento del motore termico e dell’alternatore nonchè dallo scarico dei gas esausti e con uno scambiatore raccogliamo in un grosso serbatoio di calore (ovvero di acqua calda!), utilizzabile per scaldare l’acqua dei sanitari e del riscaldamento.
l’unico inconveniente che ci vedo è quello del rumore.. ^^
@ v1
La particolarità di questa soluzione sta proprio nel non richiedere catalizzatori particolari… caratteristica che dovrebbe essere comune alle SOFC… cosa poi davvero contengano queste non credo lo vadano a dire in giro ma non impiegano catalizzatori basati su metalli nobili
Per quanto riguarda il tuo OT in realtà lo trovo interessante e non fuori luogo in quanto l’argomento presentato nel post fa esplicito riferimento alla generazione distribuita, tu stai parlando di COGENERAZIONE in un ambito distribuito… questo sarà un argomento di questa rubrica… ps i numeri che hai messo sono molto conservativi, un motore a regime costante nel punto di massimo rendimento può anche essere superiore al 30%, ma soprattutto la conversione elettrica al 70% è molto bassa… i problemi sono altri e ne discuteremo, anche perché la microgenerazione cogenerativa è un mio pallino… soprattutto in un’ottica di integrazione tra processi
@simone
Certamente le temperature sono necessarie al funzionamento.
Quello che intendo è che una volta raggiunta la temperatura operativa, il rendimento non unitario ha come conseguenza la necessità di asportare del calore per mantenerle, diversamente aumenterebbero.
Non so se, ad esempio, siano sufficienti i flussi di comburente e combustibile a raffreddare la cella, nel qual caso sarebbe necessario scambiare con dell’aria calda il che ha un’efficienza ben minore a quello che ho ipotizzato sopra.
@ arkanoid
Onestamente non saprei… bisognerebbe avere maggiori dettagli su come realizzano i loro server, ed anche eventualmente valutare la potenza termica da asportare… è vero che con un rendimento del 50% su 100kW si può ritenere una dissipazione di 100kW termici diciamo a 700°C, ma onestamente mi sembra troppo semplicistico… penso se ne saprà di più se questa tecnologia vedrà una certa diffusione…
A prescindere da tutto vorrei comunque considerare che in un panorama tecnologico dove si grida alla rivoluzione per soluzioni spesso “discutibili”, questa tecnologia pur essendo circondata da un certo hype che nella realtà risulta esagerato, sembra presentare quei criteri di “sensatezza e consistenza” necessari perché una tecnologia risulti comunque valida, e pertanto ritengo meriti una certa attenzione, ma senza mai cadere nella rete dei green evangelist sempre pronti a scatenare benedizioni od anatemi verso questa o quella soluzione, e d’altro canto senza nemmeno cedere allo scetticismo cieco
@simone: mi informerò su queste SOFC allora! attendo con interesse gli articoli sulla cogenerazione
a me la cosa che intriga di più è che ci siano grandi aziende che stanno sperimentando, di solito è un buon segno, almeno ci sono fondi per investire.