Gruppo ARES – Sviluppo di tecnologie per l’idrogeno1

Il settore dell’idrogeno rappresenta un asse strategico della transizione energetica europea e uno dei pilastri della ricerca DIEF, in linea con le direttrici del piano REPowerEU e delle Hydrogen Valleys identificate a livello continentale.

Nel laboratorio LINEA situato a Calenzano è presente un banco prova in Italia per la sperimentazione di tecnologie di elettrolisi su scala industriale, con l’obiettivo di ottimizzare il funzionamento degli elettrolizzatori e valutarne le performance e la sicurezza. Il DIEF mette a disposizione la propria competenza per l’analisi scientifica, la simulazione avanzata e la validazione sperimentale delle tecnologie.

Una delle tematiche più recenti introdotte nel DIEF riguarda lo studio avanzato delle tecnologie per la produzione di idrogeno verde. Dal 2020 è attiva una collaborazione con l’azienda multinazionale McPhy, focalizzata sull’analisi e lo sviluppo termo-fluidodinamico di elettrolizzatori alcalini. In una prima fase, supportata anche da un dottorato cofinanziato dall’azienda, la ricerca si è concentrata sull’elaborazione di modelli di simulazione tridimensionale ad alta fedeltà (CFD multifase e multi-physics), finalizzati allo studio elettrochimico e termo-fluidodinamico delle reazioni all’interno delle celle di stack reali. Con i modelli CFD sono state anche portate avanti alcune ottimizzazioni della geometria interna dell’elettrolizzatore (Figura X), che hanno portato a un brevetto internazionale. A fine 2024, è stato inoltre istituito un laboratorio congiunto tra l’azienda e il DIEF, con la realizzazione di un banco prova per il testing sperimentale di stack di grande scala, unico nel suo genere a livello nazionale (Figura Y). Al momento della scrittura di questo libro, sono in corso contatti con importanti player nazionali ed internazionali per attività di testing avanzato degli elettrolizzatori, che ne caratterizzino la performance e l’usura nel tempo.

Figura 129 – Distribuzione di temperatura superficiale anodica e catodica di tre celle elettrolitiche lungo lo stack (prima, intermedia e ultima).

Figura 130 – Banco prova per l’analisi sperimentale di elettrolizzatori alcalini di grossa taglia.

L’impegno del DIEF si estende anche alla progettazione di unità di elettrolisi integrabili in sistemi power-to-gas e all’analisi della loro gestione in scenari di surplus da fonti rinnovabili (eolico e fotovoltaico, in particolare) in linea con le dinamiche di flessibilità energetica necessarie nei nuovi sistemi integrati.

Trasporto dell’idrogeno in pipeline e blending idrogeno-gas naturale2

Il DIEF è attualmente coinvolto a livello scientifico in diversi progetti dedicati al trasporto sicuro ed efficiente dell’idrogeno tramite pipeline, sia in condotte dedicate sia attraverso la conversione delle reti gas esistenti (approccio «hydrogen ready»). La ricerca si concentra sulla simulazione avanzata del trasporto di idrogeno puro e miscele H2/Metano, testando le condizioni di efficienza, sicurezza e compatibilità della rete attuale con i nuovi vettori energetici.

Il DIEF si impegna nello studio, nella simulazione e nell’ottimizzazione delle reti di trasporto e distribuzione del gas naturale, con un focus crescente sulla decarbonizzazione progressiva e la transizione a una configurazione «hydrogen ready». Il ricorso a modelli di simulazione avanzata (ad esempio tramite il Multi Energy System Simulator – MESS del gruppo MEVS) consente al DIEF di esaminare:

l’efficienza di esercizio e le strategie di upgrade delle infrastrutture esistenti per l’immissione di nuovi vettori energetici come il biometano, l’idrogeno o i gas sintetici, l’implementazione di sistemi digitali avanzati per la sorveglianza H24 delle reti urbane, la previsione della domanda, la riduzione delle perdite, la gestione degli scenari di crisi energetica e la resilienza infrastrutturale.

Alle attività di ricerca DIEF è associato anche lo sviluppo e la sperimentazione di blending units avanzate IoT, sistemi di controllo e sensoristica evoluta, in grado di monitorare la composizione della miscela, la qualità del gas e la sicurezza d’esercizio a ogni nodo della rete. La ricerca interessa anche l’ottimizzazione dell’integrazione tra elettrolizzatori e blending unit, per favorire lo sfruttamento dei surplus rinnovabili secondo le logiche power-to-gas e la creazione di filiere di idrogeno locale (attività direttamente collegate anche al settore delle comunità energetiche e dei distretti industriali verdi).

La miscelazione controllata di idrogeno in percentuali crescenti nelle reti di gas naturale esistenti è attualmente oggetto di sperimentazione avanzata anche per il DIEF, attraverso studi di simulazione, caratterizzazione dei materiali, testing industriale e collaborazione con utility e istituzioni come Estra, Centria ed Enea. Il progetto pilota sviluppato con il campo prove Centria ad Arezzo prevede immissioni progressive di idrogeno (dal 2% al 10%) per caratterizzare la miscela ed evidenziare eventuali criticità – nessuna evidenziata finora, né a livello di materiali delle condotte né di sicurezza per gli utenti finali.

Gruppo di ricerca Multi Energy Vector System (MEVS) Group. Scenari energetici e modellazione3

Il DIEF è fortemente impegnato nello sviluppo di modelli integrati per lo studio e l’attuazione delle soluzioni di sector coupling – il collegamento funzionale tra i diversi vettori e settori energetici (elettricità, gas, calore, trasporti, industria). Il focus è su:

power-to-gas (P2G), power-to-hydrogen (P2H) e power-to-Ammonia (P2A): Valutazione dell’interazione tra surplus rinnovabili e la produzione di idrogeno attraverso l’elettrolisi, il suo stoccaggio e successivo utilizzo come vettore energetico alternativo o per la riconversione in energia elettrica (gas-to-power – G2P), gestione integrata domanda-offerta con modelli che ottimizzano il flusso energetico tra reti elettriche, del gas e del «calore distribuito», abilitando smart grid e smart district heating, integrazione di fonti non programmabili (rinnovabili), sistemi di accumulo e flexibility services nel sistema energetico multi-vettore, anche tramite supporto digitale e intelligenza artificiale applicata ai flussi energetici.

Queste attività sono strategiche nella prospettiva di decarbonizzare i cosiddetti «settori hard-to-abate», aumentare la resilienza del sistema energetico e ridurre la dipendenza da forniture extra-UE.

Il DIEF è un punto di riferimento per l’elaborazione e la simulazione di scenari energetici a diverse scale: dal quartiere alla regione, dal distretto industriale allo scenario nazionale. L’attività è supportata tanto dalle competenze del MEVS Group (Multi Energy Vector Systems Group) quanto dagli input dei principali rapporti di scenario.

Le attività più rilevanti includono:

sviluppo e utilizzo di piattaforme di simulazione energetica (come MESS – https://github.com/pielube/MESSpy) per lo studio degli impatti di differenti politiche di decarbonizzazione, la progettazione di community rinnovabili, il cosiddetto sector coupling e l’analisi dell’ottimizzazione delle reti, studio delle traiettorie di decarbonizzazione a breve e medio termine, in relazione ai modelli usati nell’aggiornamento del PNIEC (Piano Nazionale Integrato Energia e Clima), con valutazione di impatti, criticità e opportunità rispetto agli obiettivi UE al 2030 e 2050, simulazione di configurazioni multi-energia, analisi della penetrazione di nuovi vettori energetici e studio delle sinergie tra generazione distribuita, accumulo e domanda flessibile, supporto all’elaborazione di strategie di sviluppo sostenibile (SDG-ONU), in cui l’approccio interdisciplinare adottato da DIEF, combinando modellazione tecnica, valutazione ambientale e ottimizzazione economica, diventa un valore aggiunto.

Gruppo di ricerca comunità energetiche rinnovabili e tecnologie emergenti di stoccaggio energetico

Il DIEF promuove la nascita e lo sviluppo di comunità energetiche rinnovabili (CER), un pilastro fondamentale per la transizione energetica italiana. Il coinvolgimento del dipartimento prevede la ricerca applicata sull’ottimizzazione delle comunità energetiche, tramite simulazioni e modellazione dei flussi energetici, definizione delle migliori strategie di autoconsumo e gestione collettiva dell’energia condivisa.

Notevole è infine il contributo in termini di formazione di figure professionali ad alta specializzazione come il «Tecnico superiore per le CER» e le attività di disseminazione e strumenti di valutazione economica dedicati alle CER nel territorio italiano e in contesto europeo.

Utilizzo della CO2 e sostenibilità dei sistemi energetici4

L’uso della CO2 come fluido termovettore nasce da lontano, da oltre 25 anni DIEF porta avanti ricerche di rilievo sull’utilizzo e la gestione della CO2 nei sistemi energetici. Le prime ricerche, dalla seconda metà degli anni ’90, hanno riguardato il sequestro in impianti di potenza mediante i cicli turbogas semichiusi (Semi Closed Gas Turbine SCGT) con ricircolo parziale dei gas di scarico per aumentarne la concentrazione della CO2, favorendone la cattura e la successiva rimozione. Successivamente sono stati studiati cicli ibridizzati, come il semichiuso accoppiato al ciclo HAT, SC-HAT), cicli innovativi con cattura della CO2 a monte della combustione e rigenerazione chimica mediante Reforming ed Auto Thermal Reforming (R-REF, R-ATR), anche integrati con membrane per la separazione dell’aria (Air Membrane AM-ATR, Figura 132). Sono state analizzate diverse opzioni di cattura della CO2, dalle miscele di etanolammine (DEA, MDEA) fino alle membrane semipermeabili, nonché l’integrazione coi circuiti di raffreddamento delle pale di turbina mediante miscele ricche in CO2 e vapore, derivanti direttamente dai processi di cattura. L’ultima parte di questo filone di ricerca (2008 – 2010), ha riguardato l’integrazione dei cicli turbogas con impianti di gassificazione per il cofiring con biomasse, utilizzando una frazione dei gas di scarico caldi del turbogas come comburente, il cui contenuto di CO2 favorisce le reazioni di reforming in ambiente arricchito di CO2 (Trireforming). Infine, il concetto del Trireforming è stato ripreso ed applicato agli impianti a basse emissioni di CO2, combinando i cicli semichiusi (in cui si ha trasporto di CO2 a monte del reformer e del combustore) a quelli rigenerati chimicamente (cicli SCGT- TRIREF).

Figura 133 – Configurazione base del ciclo AM-ATR con rimozione di CO2.

Nel 2005 sono iniziati gli studi per lo sviluppo di pompe di calore (HP) grazie alla collaborazione con un importante produttore di compressori per CO2 (Officine Dorin). In quell’occasione è stato realizzato un banco prova estremamente flessibile con l’obiettivo di testare cicli a più livelli di pressione, cicli innovativi (ad esempio il ciclo Voorhees) e componentistica dedicata, in particolare compressori alternativi.

Recentemente, l’aggravarsi del panorama energetico internazionale ha fatto riemergere un fervente interesse per questo fluido e le relative soluzioni per il suo utilizzo.

Si riportano, di seguito, le più significative attività di sviluppo.