Per diversi anni, il ruolo dell’idrogeno nella transizione energetica è stato principalmente circoscritto al trasporto pesante e all’industria altamente energivora. Oggi, invece, è riconosciuto come uno degli elementi chiave per sviluppare l’infrastruttura necessaria per l’approvvigionamento energetico da fonti rinnovabili come il vento e il sole. La sfida principale riguarda le tempistiche che si renderanno necessarie per incrementare il numero di centrali elettriche a gas in grado di utilizzare l’idrogeno. In particolare, vi sono enormi opportunità nella trasformazione delle centrali decentralizzate, poiché migliaia di cogeneratori presso aziende di servizi municipali o nell’industria garantiscono già localmente la sicurezza dell’approvvigionamento. Un elemento cruciale per sviluppare capacità di centrali elettriche idrogeno-compatibili è la conversione dei sistemi esistenti al funzionamento esclusivo con idrogeno al 100%.Questo ha motivato 2G, insieme all’Ostbayerische Technische Hochschule Amberg-Weiden (OTH Amberg-Weiden), a trasformare tale obiettivo in una realtà concreta.

Il progetto CH2P

Il lavoro congiunto di ricerca e sviluppo non è cominciato con la decisione di convertire gli impianti esistenti a gas naturale al funzionamento con l’idrogeno. Dal 2019, questi impianti sono operativi grazie a un cogeneratore 2G a idrogeno installato ad Haßfurt, in Germania, nell’ambito di un progetto collaborativo tra Stadtwerk Haßfurt e l’Istituto di Tecnologia Energetica (IfE) presso l’OTH Amberg-Weiden.

Sulla base dell’esperienza acquisita in quel contesto, un’associazione guidata da 2G ha sviluppato nuovi cogeneratori in un progetto di ricerca a partire dal 2022, al fine di fornire elettricità e calore dall’idrogeno in modo altamente efficiente ed economico. Il progetto, denominato “CH2P”, è finanziato dal settimo programma di ricerca energetica del Ministero Federale per gli Affari Economici e la Protezione del Clima (BMWK) con circa € 2,36 milioni, coinvolgendo, oltre al Centro di Competenza per la cogenerazione dell’OTH Amberg-Weiden e 2G, altri sette partner in ambito industriale e scientifico. L’obiettivo principale del progetto è aumentare ulteriormente la densità di potenza dei cogeneratori, migliorandone così l’efficienza, riducendo i costi e le emissioni.

L’esperienza delle nuove installazioni facilita la conversione

Il punto di partenza per l’attuale processo di conversione è stato un cogeneratore a gas naturale preesistente con una capacità elettrica di 250 kW, installato presso l’OTH di Amberg nel marzo 2019 e già impiegato nella ricerca e nell’insegnamento fin dalla sua messa in funzione. Per Frank Grewe, CTO di 2G, la decisione di convertire il gas naturale in idrogeno è stata il naturale sviluppo di decenni di lavoro: “L’efficiente utilizzo di gas ecologici è sempre stato al centro della filosofia aziendale e ha contribuito in modo significativo alla crescita positiva dell’azienda – basti pensare alla svolta del mercato del biogas nei primi anni 2000. È stata proprio l’esperienza acquisita in quel contesto che ci ha permesso di essere dei precursori nell’affrontare altri tipi di gas, come l’idrogeno. La conversione degli impianti esistenti a gas naturale rappresenta ora il passo successivo.

Grewe continua: “La direzione politica è chiara: abbandonare il gas naturale – optare per il biogas e, soprattutto, l’idrogeno. Consideriamo questa direzione come una grande opportunità per contribuire in modo significativo alla trasformazione del sistema energetico, sfruttando il potenziale delle nostre migliaia di impianti installati.

Adattamento della geometria della camera di combustione, dei pistoni e della formazione della miscela

L’operazione di conversione è stata condotta nel dicembre 2022 e, dal punto di vista tecnico, ha avuto un impatto limitato, come spiega Grewe: “Da diversi anni progettiamo i nostri impianti con un design modulare, consentendo così una rapida transizione all’idrogeno mediante la sostituzione di singoli componenti.” Un elemento cruciale di questo processo è l’adattamento della geometria della camera di combustione. Oltre al cambiamento del rapporto di compressione determinato dall’impiego di pistoni differenti, durante la conversione è stato necessario modificare anche il processo di formazione della miscela. 

Mentre nel funzionamento convenzionale a gas naturale o biogas la miscelazione del combustibile avviene nel miscelatore di gas e prima della compressione nel turbocompressore, con l’idrogeno questo avviene direttamente nella camera di combustione. A tal fine, l’idrogeno viene introdotto nel condotto di aspirazione tramite un iniettore di gas prima che la miscela pronta per l’accensione venga immessa nella camera di combustione. Questo cambiamento è principalmente dovuto alle diverse proprietà fisiche dell’idrogeno rispetto al gas naturale o al biogas. Oltre alla maggiore facilità di accensione rispetto ai gas convenzionali, l’idrogeno presenta anche una velocità di fiamma laminare superiore, il che richiede che l’aria compressa venga mescolata con l’idrogeno solo poco prima della combustione per evitare un’ignizione incontrollata.

Integrazione intelligente dei programmi di manutenzione e retrofit

Sia i pistoni che gli iniettori di gas sono stati standardizzati al punto da poter essere sostituiti o aggiornati in un secondo momento – come sta avvenendo ora ad Amberg. Allo stesso tempo, è stato installato un nuovo turbocompressore, adattato per soddisfare i crescenti requisiti del funzionamento a idrogeno. Ma non è solo la tecnologia in sé –2G sta anche puntando alla standardizzazione al momento del cambio, come sottolinea Grewe: “Se i piani di manutenzione sono collegati in modo intelligente ai piani di conversione all’idrogeno, pistoni e turbocompressori, che comunque dovrebbero essere sostituiti durante la revisione periodica, possono essere montati direttamente ricambi dedicati al funzionamento a idrogeno. Di conseguenza, il costo della conversione può essere ridotto a circa il 10-15% dell’investimento originale.

Oltre alle varie regolazioni meccaniche, è stato implementato un aggiornamento del controllo e del software per adattare i tempi di accensione, la strategia di controllo e le rampe al nuovo carburante. Al fine di massimizzare la compatibilità con le attuali infrastrutture, la conversione all’idrogeno è fattibile senza intoppi per tutti i cogeneratori installati a partire dal 2011.

Approfondimenti sul percorso di trasformazione del gas

Per l’OTH Amberg-Weiden, la conversione rappresenta solo il primo passo verso ulteriori lavori di ricerca volti ad accompagnare scientificamente l’inizio dell’economia dell’idrogeno, come illustrato dal Prof. Dr. Raphael Lechner, docente di Sistemi Energetici Digitali e Accoppiamento Settoriale presso l’OTH Amberg-Weiden: “Da molti anni conduciamo ricerche nel campo della generazione decentralizzata di energia elettrica e termica, ritenuta una tecnologia chiave nella transizione energetica locale. Nei prossimi anni, l’industria del gas sarà caratterizzata soprattutto dalla necessità di avviare un graduale passaggio verso il 100% di energie rinnovabili. Questa transizione avverrà in maniera diversa a seconda della vicinanza alla rete europea dell’idrogeno, delle capacità di produzione locale di idrogeno o della disponibilità di biogas in un dato comune. Con le nostre ricerche, vogliamo dimostrare in modo particolare che la generazione decentralizzata di energia elettrica e termica gioca un ruolo cruciale in queste varie sfaccettature.”

Oltre alla nuova fornitura di idrogeno a 4 bar con tecnologia di iniezione del gas MPI, l’impianto può continuare a operare anche con gas naturale. Lechner sottolinea inoltre l’importanza della costruzione di proprie capacità di ricerca all’interno dell’università: “Anche se abbiamo sviluppato il progetto in stretta collaborazione con 2G, è fondamentale per noi espandere ulteriormente il nostro team di ricerca intorno alla futura fornitura decentralizzata di energia. A differenza dei cogeneratori abitualmente commercializzati da 2G, abbiamo un accesso completo al sistema di controllo dell’impianto e a tutti i parametri nel nostro cogeneratore, consentendoci di condurre approfondite operazioni di ricerca.” Inoltre, il cogeneratore è stato dotato di un sistema di analisi ottica della combustione, che può essere utilizzato per indagare nel dettaglio la formazione della miscela e le anomalie di combustione nel contesto del progetto CH2P.

Prossimi passi 

Il cogeneratore, che originariamente generava 250 kW di potenza elettrica, ora produce circa 170 kW quando funziona con idrogeno, spiega Grewe: “Al momento, abbiamo introdotto motori a idrogeno con una pressione media fino a 14 bar, rispetto ai 18 bar della serie a gas naturale, il che comporta una leggera riduzione dell’output. Ad Heek stiamo testando anche l’idrogeno a 18 bar, garantendo prestazioni identiche. I colleghi ad Amberg dispongono delle stesse risorse per eseguire ricerche avanzate sulla comunità scientifica.”

Un altro traguardo imminente ad Amberg è il passaggio da un approvvigionamento tramite carri bombolai ad un impianto di stoccaggio dedicato. Lechner è entusiasta del progresso dei lavori per la costruzione della stazione di alimentazione a idrogeno per il cogeneratore pilota ad Amberg, per i quali si prevede il completamento nel prossimo futuro.

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