Independencell: L'indipendenza energetica

Gli impianti per la produzione di energia possono essere di molti tipi. Una prima distinzione fondamentale è in sistemi connessi alla rete elettrica (o grid-connected) e sistemi non connessi alla rete elettrica (cioè off-grid), isolati.

Gli impianti grid-connected sono normalmente utilizzati per fornire alla rete elettrica nazionale l'energia da loro prodotta e/o per prelevare energia aggiuntiva dalla rete in caso di bisogno. Risultano quindi ottimi nel caso in cui si voglia fare soprattutto un investimento grazie al facile guadagno garantito dagli incentivi statali esistenti, tra cui in particolare lo "scambio sul posto" e la "cessione in rete".

Gli impianti off-grid, invece, sono in genere usati quando si deve (oppure quando si vuole) essere completamente autonomi dal punto di vista energetico. Il caso tipico è quando si è lontani dalla rete elettrica: si pensi, ad esempio, a utenze poste su isole o in altri luoghi remoti del pianeta. Quindi, gli impianti grid-connected possono essere associati alla parola "guadagno", gli off-grid alla parola "autonomia".

Si noti che gli impianti off-grid, essendo per definizione non connessi alla rete, sono giocoforza autosufficienti (o stand-alone), mentre non è vero il viceversa: cioè un impianto stand-alone può essere benissimo anche grid-connected.

I sistemi ibridi

Mentre gli impianti grid-connected tipicamente immettono in rete l'energia prodotta da una sola fonte rinnovabile (ad es., sole, vento, acqua, etc.) - per cui parliamo in questo caso di sistemi monofonte - gli impianti off-grid normalmente utilizzano almeno due fonti di energia, e in tal caso parliamo invece di sistemi ibridi, come riassunto per comodità nel seguente schema:

Schema 1 - Impianti tipici per la produzione di energia e relativa nomenclatura

Un impianto che ha come obiettivo...	solitamente è...	perciò in genere risulta...	e inoltre...
Guadagno	connesso in rete (grid-connected)	non autosufficiente (grid-dependent)	monofonte (monosource)
Autonomia	non connesso (off-grid)	autosufficiente (stand-alone)	ibrido (multisource)

Gli impianti ibridi, in effetti, sono sistemi avanzati per la produzione di energia che per definizione impiegano due o più fonti, di cui almeno una rinnovabile.

Le potenziali combinazioni ibride comprendono (co-)generatori di elettricità con combustibili immagazzinabili provenienti da fonte rinnovabile o di origine fossile (ad es. celle a combustibile alimentate da idrogeno, generatori diesel alimentati a gasolio, turbine a gas, etc.) i quali affiancano le tecnologie basate su fonti di energia rinnovabile (ad es. eolica, solare, idroelettrica, biomasse, etc.).

Sono esempi di possibili sistemi ibridi: (1) un impianto eolico integrato con un generatore diesel o (2) un campo di pannelli fotovoltaici integrati con celle a combustibile, ma anche soluzioni più complesse, come (3) un impianto fotovoltaico + eolico integrato, per la co-generazione, con celle a combustibile + microturbina a gas. 

Tutti i sistemi autosufficienti (in inglese, stand-alone) che utilizzano fonti rinnovabili sono sistemi ibridi, perché l'energia fornita da tali fonti è intermittente, cioè varia nel tempo (ad es., si pensi alla variabilità del vento o dell'irraggiamento solare). Poiché come abbiamo detto tutti gli impianti off-grid sono necessariamente stand-alone, tutti gli impianti off-grid che usano fonti rinovabili sono sistemi ibridi, ma al solito non è vero il contrario: esistono sistemi ibridi che sono grid-connected.

Negli impianti ibridi, l'integrazione di due o più fonti riduce il rischio di rimanere in certi momenti senza l'energia necessaria, e dunque aumenta l'affidabilità del sistema; inoltre, permette di superare le limitazioni insite in alcuni sistemi monofonte (si pensi, ad es., ai generatori diesel) per quanto riguarda la flessibilità del combustibile, l'efficienza del sistema, le emissioni di CO2 e il budget. I sistemi ibridi, dunque, offrono soluzioni che le singole tecnologie da sole non offrono.

Impianti con ciclo a idrogeno

Gli impianti ibridi possono essere progettati - come fa INDEPENDERGY - privilegiando l'uso di fonti rinnovabili (in particolare dell'eolico, del solare fotovoltaico e del solare termodinamico) nonché dell'idrogeno per immagazzinare l'energia, ottenendo così un sistema il più possibile "pulito" e indipendente dal prezzo del petrolio rispetto alle tradizionali tecnologie basate sui combustibili fossili.

In passato, un impianto ibrido tipico utilizzato, ad esempio, per fornire elettricità in aree remote o rurali, consisteva in una serie di pannelli fotovoltaici, in una batteria e in un generatore diesel, e il sistema veniva ottimizzato in modo da consumare poco gasolio e da usare una batteria piccola. Oggi, invece, l'idrogeno fornisce, grazie al "ciclo dell'idrogeno", un'ottima alternativa alla co-generazione tramite combustibili fossili e alle batterie per l'accumulo di energia da fonti rinnovabili.

In pratica, le componenti principali di un moderno sistema ibrido autosufficiente (stand-alone) per la produzione continua di energia - basato, per la cogenerazione di elettricità, sul ciclo dell'idrogeno - comprendono le seguenti:

un sotto-sistema che produce energia da fonte/i rinnovabili (eolico, solare, etc.), la quale nei periodi di surplus viene immagazzinata per far fronte ai periodi di carenza (nei sistemi grid-connected, invece, era la rete il "serbatoio" a cui attingere);

un sotto-sistema per l'accumulo sotto forma di idrogeno dell'energia in surplus, composto da (1) un elettrolizzatore che produce H2 tramite elettrolisi dell'acqua e da (2) un'unità per immagazzinare l'idrogeno come gas ad alta pressione o liquido;

una cella a combustibile, ovvero un apparato che produce elettricità direttamente dall'idrogeno accumulato, dando come prodotti di scarto acqua e calore. Dunque, la cella fa da (co-)generatore usando come combustibile l'idrogeno.

Le celle a combustibile

Le celle a combustibile sono sistemi elettrochimici capaci di convertire l'energia chimica di un combustibile (in genere, idrogeno) direttamente in energia elettrica, senza l'intervento intermedio di un ciclo termico, ottenendo pertanto rendimenti di conversione più elevati rispetto a quelli ottenibili per via termica (ad es., bruciando gas in una turbina, o idrogeno in un tradizionale motore a scoppio). 

Dunque, una cella a combustibile funziona in modo simile a una batteria (ad es. d'auto) o a una pila, in quanto produce energia elettrica attraverso un processo elettrochimico. Tuttavia, a differenza di una batteria, consuma sostanze provenienti dall'esterno ed è quindi in grado di funzionare senza interruzioni finché al sistema viene fornito combustibile (idrogeno) e ossidante (ossigeno o aria).

Rispetto alle batterie, le celle a combustibile hanno tre importanti vantaggi: durano di più, pesano di meno, e non necessitano di lente ricariche, bensì solo di essere ri-alimentate aggiungendovi idrogeno, un'operazione veloce.

        

Le celle a combustibile, grazie alle loro spiccate caratteristiche di modularità, flessibilità, rendimento e compatibilità ambientale, possono trovare proficuamente applicazione sia presso utenti con piccoli impianti di generazione elettrica (da pochi kW fino al MW) che presso grandi utenti (quali industrie, aziende elettriche, etc.) con impianti di taglie più grandi, fino a qualche decina di MW.

I vantaggi delle fonti rinnovabili

Le fonti rinnovabili sono capaci di generare energia in un modo economico e conveniente, specie se si tiene conto delle "esternalità" delle fonti di energia convenzionali come il petrolio, che è una risorsa finita, è assai inquinante per l'ambiente, finanzia regimi instabili e obbliga a disporre truppe nei luoghi di produzione e anche di transito.

Inoltre, le rinnovabili sono fonti "pulite" di energia. La Seconda Rivoluzione Industriale, invece, ha visto lo sfruttamento intensivo degli idrocarburi, necessari alla sua tecnologia, e dunque del ciclo del carbonio, che ha prodotto emissioni nell'atmosfera di CO2 e di altri gas serra che stanno provocando un pericoloso riscaldamento globale.

Quindi, utilizzare le fonti rinnovabili vuol dire ridurre la nostra dipendenza dal petrolio, aumentare la sicurezza energetica del Paese e diminuire le emissioni inquinanti e di gas serra.

La grande illusione del nucleare

La scala dei tempi per la costruzione di centrali nucleari - addirittura 10 anni in Italia - non è affatto compatibile con l'impellenza dei problemi legati all'aumento dei costi petroliferi e al rapido riscaldamento del pianeta.

Inoltre, le centrali nucleari sono molto costose, e l'utilizzo dell'uranio su vasta scala porterebbe al suo rapido esaurimento. L'Italia, peraltro, non dispone del prezioso uranio, per cui rimarrebbe intatta la sua dipendenza energetica dall'estero.

Infine, nella provincia di Latina, che ospita la centrale nucleare del Garigliano (vedi la figura qui sopra), il tasso di mortalità per cancro è del 21%, tre volte più alto della media nazionale, e nelle zone più vicine all'impianto sale al 44%.

E non si contano le gravissime malformazioni ai neonati e agli animali prodotte oggi da questa "Chernobyl" italiana, che dal 1963 al 1982 ha avuto vari incidenti in parte tenuti nascosti i quali hanno contaminato una vasta area di mare tra il Volturno e il Circeo.

Come è fatta una cella a combustibile

Una cella a combustibile è composta da due elettrodi in materiale poroso separati da un elettrolita. Gli elettrodi fungono da siti catalitici per le reazioni di cella che consumano fondamentalmente idrogeno e ossigeno, con produzione di acqua e di corrente elettrica.

Una singola cella produce normalmente una tensione di circa 0,7 V, e correnti comprese fra 300 e 800 mA/cm2. Quindi, per ottenere il voltaggio desiderato, più celle sono disposte in serie, a mezzo di piatti bipolari, a formare il cosiddetto "stack". Gli stack, a loro volta, sono assemblati in moduli per ottenere generatori della potenza richiesta.

Tipi di cella e loro applicazioni

Esistono diverse tecnologie di cella, con diverse caratteristiche e diverso grado di sviluppo. Normalmente le celle vengono classificate sulla base dell'elettrolita utilizzato (celle alcaline, ad elettrolita polimerico, ad acido fosforico, a carbonati fusi, a ossidi solidi) o della loro temperatura di funzionamento (celle a bassa e alta temperatura).

Le celle a elettrolita polimerico sono usate per la trazione e per la cogenerazione di piccola taglia (1-250 kW); le celle ad acido fosforico per la cogenerazione nei settori residenziale e terziario (100-200 kW); infine, le celle a carbonati fusi e quelle a ossidi solidi per la cogenerazione da qualche centinaio di kW ad alcune decine di MW.