Un innovativo sistema per lo stoccaggio dell’idrogeno allo stato solido consente a una moderna fattoria di montagna di fronteggiare quasi completamente il proprio fabbisogno energetico utilizzando solo fonti rinnovabili locali.
Arieshof è un maso sudtirolese che propone un modello alternativo di insediamento agricolo, caratterizzato da una decisa vocazione ecologica e quasi completamente autonomo dal punto di vista energetico. L’azienda agricola opera secondo principi olistici (eco-compatibilità, coltivazioni biologiche certificate, gestione sinergica fra suolo, vegetazione e animali domestici, interazione sociale, ecc.) e impiega lavoratori socialmente svantaggiati.
Situato a San Lorenzo di Sebato (Bolzano) vicino al comprensorio sciistico Plan de Corones, Arieshof è risultato di un intervento di demolizione e ricostruzione. Le nuove costruzioni (superficie netta 2.022 m2; volume netto 6.009 m2) comprendono edifici per le funzioni residenziale con ospitalità agrituristica (a est), commerciale (al centro) e agricolo-zootecnica (a ovest) che rispettano i requisiti CasaClima Classe A.
Arieshof dispone inoltre di un articolato sistema per la produzione e lo stoccaggio dell’energia da fonti rinnovabili, che utilizza esclusivamente cippato di origine locale ed energia solare, con il supporto di sistemi per il recupero del calore. Lo stoccaggio interessa sia l’elettricità, con sistemi a corto e a lungo termine, sia l’acqua calda, grazie a un enorme accumulo (20 m3).
Elettricità: produzione e stoccaggio
La maggior parte dell’elettricità è prodotta dai campi fotovoltaici che ricoprono quasi interamente i tetti di tutti gli edifici (superficie totale 1.020 m2). I moduli fotovoltaici (potenza complessiva 206,31 kWp) mettono a disposizione ogni anno circa 230 MWh, ai quali si aggiungono 74 MWh ottenuti dalla micro-cogenerazione alimentata dal syngas estratto dal cippato.
L’elettricità non autoconsumata è immagazzinata in un sistema di stoccaggio composto da:
- accumuli a batteria del tipo NiMH da 130 kW (capacità massima 172 kWh, per lo stoccaggio a breve termine (orario – giornaliero);
- sistema HY2MEDI (capacità massima 2 MWh) che, all’interno di un container (lunghezza 6,0 m, profondità 2,5 m, altezza 2,6 m; peso 13÷20 t) riunisce dispositivi per la produzione e l’accumulo dell’idrogeno e per la sua conversione in elettricità, per lo stoccaggio a lungo termine (settimanale – mensile).
Sviluppato da GKN Hydrogen, HY2MEDI è un sistema sicuro, efficiente, compatto e di lunga durata (oltre 20 anni), basato sull’innovativa tecnologia metallo-idruro per lo stoccaggio dell’idrogeno allo stato solido.
La stessa quantità di gas contenuta in una bombola di idrogeno liquido, infatti, può essere immagazzinata in un serbatoio di volume pressoché equivalente, in condizioni di pressione e temperatura facilmente gestibili.
È il caso del cippato (potere calorifico 3÷4,5 kWh/kg), composto dai residui delle lavorazioni agroforestali e delle segherie inadatti ad altri usi, disponibile a costi contenuti nelle aree montane e boschive. Il micro-cogeneratore dell’Arieshof è infatti alimentato con syngas prodotto mediante gassificazione del cippato. La gassificazione avviene un un’unità dedicata, alimentata in modo automatico con cippato prelevato dai depositi posti a fianco della centrale tecnologica.
Il cippato attraversa in verticale, dall’alto verso il basso, una camera di combustione che provvede all’essiccazione, alla degradazione pirolitica e alla raccolta dei residui del processo, mentre il syngas così ottenuto è avviato a una serie di filtri e scambiatori di calore che lo purificano e ne stabilizzano la temperatura.
L’unità di cogenerazione è quindi alimentata da syngas miscelato ad aria: la combustione azionare un motore alternativo e il generatore elettrico collegato. Prima dell’immissione in atmosfera i gas di scarico sono trattati da un catalizzatore, per abbattere la concentrazione di inquinanti, e da un silenziatore.
Idrogeno allo stato solido
L’unità HY2MEDI è la prima di questo tipo installato in Europa. Si occupa del ciclo completo dell’idrogeno utilizzando energia elettrica che, nel caso dell’Arieshof, è prodotta dai campi fotovoltaici e dal micro-cogeneratore, perciò interamente da fonte rinnovabile. Il sistema è composto da:
- elettrolizzatore (24 kWe);
- accumulo chimico dell’idrogeno allo stato solido (capacità max 2 MWh);
- cella a combustibile (16 kWe).
Lo stoccaggio chimico allo stato solido utilizza l’innovativa tecnologia degli idruri metallici, alternativa rispetto alle tradizionali modalità di accumulo dell’idrogeno gassoso, in bombole, e liquido, in serbatoi super-raffreddati, che garantisce semplicità della gestione operativa, ingombri contenuti e, soprattutto, superiori condizioni di sicurezza.
Il primo stadio del processo prevede la produzione dell’idrogeno (più di 10 kg/giorno) attraverso un elettrolizzatore. L’acqua è dapprima filtrata e quindi scissa nei suoi elementi costitutivi: l’ossigeno, rilasciato nell’atmosfera, e l’idrogeno, sottoposto a essiccazione e depurazione per ottenere gas con elevato grado di purezza.
L’accumulo avviene in serbatoi cilindrici riempiti con dischi compatti di polvere di ferro e titanio. L’idrogeno è immesso nei serbatoi grazie a leggere variazioni di pressione e temperatura: le molecole del gas si legano a quelle dei metalli, creando un legame elettrochimico (idruro allo stato solido). La capacità complessiva di stoccaggio dell’idrogeno in HY2MEDI è nell’ordine di 30÷120 kg, pari a una capacità di 0,5÷2 MWh, e avviene a una pressione massima del gas di 40 bar (simile a quella dello stoccaggio allo stato gassoso nelle bombole), in modo stabile e sicuro per effetto del legame chimico.
Quando necessario l’idrogeno è rilasciato dai serbatoi, sempre mediante leggere variazioni di pressione e temperatura, e alimenta la cella a combustibile. Nella cella a combustibile avviene la ricombinazione dell’idrogeno con l’ossigeno atmosferico, che restituisce elettricità (potenza nominale: 7 kW fino a 285 h; 14 kW fino a 142 h), con emissione in atmosfera di solo vapore acqueo. Il calore rilasciato dal processo è recuperato e riutilizzato, assieme a quello proveniente dal micro-cogeneratore, per la produzione dell’acqua calda sanitaria al servizio dell’intero complesso.
Autonomia energetica
La gestione collaborativa degli accumuli a batteria, per periodi di durata oraria e giornaliera, e a idrogeno, per periodi settimanali e mensili, è stato uno dei principali obiettivi del progetto, finalizzato al dimensionamento bilanciato di tutti i componenti per garantire la massima autonomia rispetto alla rete di distribuzione elettrica. Quando necessario, ad esempio, parte dell’elettricità prodotta dal campo fotovoltaico è impiegata per riscaldare l’acqua.
L’insieme delle tecnologie utilizzate assicura infatti la copertura quasi completa (90÷95%) del fabbisogno energetico, compresa la ricarica dei veicoli elettrici, utilizzando solo fonti rinnovabili. L’autonomia rispetto alla rete elettrica di distribuzione è stimata in almeno 5 mesi, a fronte della riduzione delle emissioni in atmosfera nell’ordine di 92 tCO2 annue.
In sostanza, riducendo al minimo i consumi, Arieshof potrebbe funzionare completamente off-grid. La gestione di tutti gli impianti, elettrici e termici, e dei sistemi energetici e di stoccaggio è affidata a un PLC (controllore logico programmabile), appositamente sviluppato da Enermore secondo standard di livello industriale, con moduli per la gestione e la regolazione del funzionamento integrato degli impianti di produzione, degli accumuli e dei consumi, fino al collegamento e ai servizi per le reti compreso l’energy trading, ecc.
La densità volumetrica dell’energia è inferiore a quella delle batterie agli ioni di litio e l’autoscarica è maggiore, ma le batterie NiMH hanno un’eccellente potenza specifica, la ricarica avviene in tempi brevi, sono meno infiammabili ed esenti dal rischio di esplosione.
La scelta di utilizzare questi accumulatori è legata alla presenza di un accumulo a lungo termine di elevata capacità, all’intelligente gestione integrata di entrambi gli stoccaggi e dell’intero sistema di produzione dell’energia, alla maggiore sicurezza e al costo, notevolmente inferiore rispetto alle più diffuse batterie Li-Ion.
La gestione collaborativa degli accumuli a batteria, per periodi di durata oraria e giornaliera, e a idrogeno, per periodi settimanali e mensili, ha costituito la principale complessità del sistema sviluppato per Arieshof. L’obiettivo finale era ottenere un dimensionamento bilanciato complessivo, in grado di assicurare la massima autonomia rispetto alla rete di distribuzione elettrica».
Qual sono i risultati ottenuti a circa un anno dall’entrata in funzione del sistema?
«L’impianto ha raggiunto un’autonomia superiore al 90%. Considerando che le taglie degli accumuli elettrici sono leggermente inferiori rispetto alla configurazione ottimale, si tratta di un risultato significativo. Il sistema è efficiente, performante, flessibile e scalabile. Le tecnologie utilizzate consentono di ottenere la completa autonomia rispetto alle reti energetiche, anche per quanto riguarda la mobilità sostenibile, in applicazioni civili e anche industriali».
