H2 Kibou Field è la struttura dimostrativa progettata e realizzata da Panasonic Corporation, che integra celle a combustibile alimentate a idrogeno puro, superfici fotovoltaiche e batterie per l’accumulo elettrochimico.
La crescente mole degli investimenti e l’accelerazione dei progetti per realizzare una società decarbonizzata sono concentrati sull’impiego efficiente e diffuso delle fonti di energia rinnovabile, come solare fotovoltaico, termico e a concentrazione, eolico, geotermico, idroelettrico e biomasse. Tuttavia, l’energia green ottenuta da fotovoltaico ed eolico – le tecnologie oggi più diffuse nel mondo – presenta lo svantaggio dell’impossibilità di programmare la produzione, ed è limitata anche dalla mancanza di capacità di stoccaggio, indispensabile per adeguare la produzione alla domanda.
Di conseguenza, in tutto il mondo l’idrogeno (un gas combustibile che si presta a immagazzinare l’energia rinnovabile prodotta in eccesso) sta attirando l’interesse di istituzioni e aziende come alternativa agli stoccaggi elettrochimici e meccanici, in quanto può essere utilizzato per ottenere elettricità, dalle celle a combustibile, e calore, mediante combustione.
L’idrogeno presenta l’ulteriore vantaggio della sostenibilità. Se prodotto utilizzando fonti rinnovabili, per il suo intero ciclo di vita non emetterà CO2 né altre sostanze climalteranti, dando così un contributo importantissimo alla sostenibilità delle attività umane.
Il Giappone è fra i paesi che hanno sviluppato le tecnologie dell’idrogeno che, da oltre dieci anni, è utilizzato negli edifici residenziali dotati di celle a combustibile, in grado di produrre elettricità e calore. Ne sono un esempio l’innovativa Fujisawa Sustainable Smart Town, entrata in funzione nel 2014, e la nuova struttura energetica H2 Kibou Field, entrambe sviluppate da Panasonic nel contesto della strategia RE100 (Renewable Energies 100%).
La maggior parte dell’idrogeno prodotto attualmente è ottenuto dallo steam reforming del metano, perciò utilizzando un combustibile fossile e immettendo CO2 in atmosfera. Si tratta del cosiddetto “idrogeno grigio”, consumato prevalentemente nei processi di produzione industriale. Grazie all’impiego di sistemi per il sequestro della CO2 si ottiene “idrogeno blu”, ottenuto dal metano ma senza emissioni climalteranti. Si tratta però di una tecnologia che, oltre consumare gas fossile, risulta molto costosa proprio per la necessità di stoccare l’anidride carbonica derivante dal processo di produzione dell’idrogeno.
L’idrogeno “verde”, invece, è prodotto mediante elettrolisi (scissione delle molecole d’acqua negli atomi di ossigeno e idrogeno) utilizzando energia elettrica proveniente solo da fonti rinnovabili non programmabili (fotovoltaico ed eolico). Il processo è realizzato mediante elettrolizzatori che emettono in atmosfera solo vapore acqueo. Oltre agli evidenti benefici ambientali rispetto all’idrogeno grigio e blu, il principale vantaggio dell’idrogeno verde consiste nel fatto che la sua produzione avviene quando la domanda di elettricità proveniente dalla rete è inferiore rispetto a quella che può essere prodotta dalle sorgenti rinnovabili. In pratica l’idrogeno verde è un vettore energetico nel quale è stata immagazzinata energia rinnovabile che, altrimenti, sarebbe andata sprecata. Ad oggi è prodotto in bassissime quantità, ma i piani dell’UE prevedono una rapida crescita delle quantità disponibili entro pochi anni.
Il futuro è adesso
H2 Kibou Field sorge nei pressi dello stabilimento Panasonic Appliances Company situato a Kusatsu, località montana nella prefettura di Shiga, pochi chilometri a nord-est di Osaka. Il sistema di generazione dell’energia occupa circa 6.000 m2 ed è composto da:
- un campo fotovoltaico a terra composto da 1.820 moduli al silicio cristallino (570 kWp complessivi);
- 99 celle a combustibile alimentate con idrogeno puro (495 kW complessivi);
- un accumulatore a batterie agli ioni di litio (circa 1,1 MWh).
La fornitura di idrogeno è affidata a un serbatoio da circa 78.000 litri, approvvigionato tramite autocisterne. Attualmente il serbatoio è riempito con idrogeno grigio, ma sarà presto rifornito con idrogeno verde ottenuto esclusivamente da fonti rinnovabili.
L’abbinamento di più fuel cell realizza generatori dalla potenza scalabile, in grado di soddisfare tutte le necessità grazie al controllo integrato delle diverse unità. La potenza generata da H2 Kibou Field copre il fabbisogno energetico dell’intero insediamento industriale, nel quale si producono le celle a combustibile che hanno reso Panasonic leader mondiale di questa tecnologia innovativa, fra cui Ene-Farm (la prima fuel cell al mondo per le applicazioni residenziali, alimentata a metano) e H2 Kibou (la nuova fuel cell alimentata solo con idrogeno puro).
Con H2 Kibou Field il gruppo nipponico si pone all’avanguardia nel settore delle applicazioni basate sulle fonti rinnovabili per alimentare i processi industriali, attraverso una struttura unica al mondo che utilizza un mix delle più avanzate tecnologie per la produzione e lo stoccaggio dell’elettricità.
Oltre all’uso su vasta scala delle celle a combustibile con la tecnologia all’idrogeno più evoluta oggi disponibile, il sito dimostrativo di Kusatsu ha lo scopo di sviluppare e testare sistemi per ottimizzare l’offerta di energia completamente rinnovabile e la gestione della domanda, in un’applicazione energivora e sensibile come quella di uno stabilimento industriale.
Tecnologia per la cogenerazione
Le celle a combustibile utilizzate a Kusatsu sono state sviluppate partendo dal sistema di cogenerazione residenziale Ene-Farm, commercializzato dal 2009 per le applicazioni domestiche e già molto diffuso specie in Giappone (ne sono state prodotte circa 200.000 unità), in quanto utilizza metano per estrarre l’idrogeno necessario al funzionamento della fuel cell. La crescente necessità di decarbonizzare l’economia ha indotto Panasonic a continuare la ricerca e sviluppo, puntando su celle a combustibile che utilizzano solo idrogeno puro.
I test condotti dal 2012, anche in siti esterni come la Yume Solar Kan Yamanashi e poi presso Shizuoka Model Hydrogen Town, hanno portato nel 2021 alla commercializzazione del nuovo modello H2 Kibou. Quest’ultimo è destinato all’uso commerciale, perciò la potenza è stata aumentata di 7 volte rispetto a quella di Ene-Farm, prevedendo la possibilità di impiegare più unità per la stessa applicazione, in modo flessibile ed efficace rispetto al fabbisogno, e di controllare da remoto il sistema.
H2 Kibou mette a disposizione una potenza pari a 5 kWe, adatta alle strutture produttive di piccola scala, e presenta dimensioni estremamente compatte (ogni unità è larga 83,4 cm, profonda 41,7 cm, alta 176,6 cm e pesa circa 205 kg), per permettere la scalabilità dei generatori. L’idrogeno che alimenta H2 Kibou è puro al 99,97% ed è fornito con una pressione di 50 kPa, a fronte di un consumo pari a 49,6 NL/m nel funzionamento a piena potenza. Oltre all’elettricità è possibile effettuare il recupero del calore, per una potenza massima pari a 3,48 kWt, mediante un accumulo d’acqua a 60 °C integrato nel corpo macchina.
Ciascuna H2 Kibou può perciò produrre solo elettricità (monogenerazione, con efficienza elettrica nominale: 56% LHV), oppure elettricità e calore (cogenerazione, con efficienza elettrica / recupero del calore: 39% LHV / 32,9% HHV). Nel funzionamento in cogenerazione l’efficienza energetica totale è del 95%, consentendo così un uso efficace dell’energia senza sprechi, in assenza di emissioni climalteranti e acustiche e di vibrazioni. H2 Kibou inizia a produrre elettricità dopo circa 1 minuto dall’accensione e, utilizzando un’unità di resistenza e un alimentatore di avvio opzionali, può funzionare anche durante un’interruzione di corrente, producendo 2,5 kW per le successive 120 ore.
Le celle a combustibile possono essere installate all’interno degli edifici, in appositi spazi tecnici, e anche all’aperto, comprese le coperture. Nel caso di H2 Kibou Field, ad esempio, l’impronta a terra del sistema è equivalente a quella che sarebbe stata occupata sulle coperture dello stabilimento.
LO STACK e il “cuore tecnologico” delle fuel cell H2 Kibou: l’idrogeno puro e l’ossigeno atmosferico producono elettricità; il calore sviluppato è recuperato per riscaldamento e acqua calda sanitaria
Obiettivi tecnici e commerciali
Il primo traguardo raggiunto da Panasonic con H2 Kibou Field è l’autosufficienza energetica del sito produttivo di celle a combustibile di Kustatsu. La produzione di energia è infatti affidata sia al campo fotovoltaico, sia alle celle a combustibile alimentate con l’idrogeno. In questo modo è possibile compensare la discontinuità della produzione solare, soggetta alle variabili meteorologiche, garantendo sempre il fabbisogno dello stabilimento.
In base alla domanda di energia, alle previsioni meteo e ai risultati del monitoraggio del funzionamento, l’accumulatore elettrochimico svolge invece altre importanti funzioni: stabilizza l’intero sistema rispetto ai picchi di consumo, mediante lo stoccaggio dell’eccesso della produzione di elettricità, e fronteggia il fabbisogno notturno dello stabilimento, assieme alle celle a combustibile.
H2 Kibou Field presenta infatti un layout flessibile, finalizzato al controllo integrato multi-generatore, alla gestione della produzione di energia in base alla domanda e all’esecuzione dell’attività di manutenzione, per offrire una fornitura continua ad elevata potenza a misura sia delle esigenze dei diversi edifici che compongono lo stabilimento, sia della prevenzione dell’usura dei generatori stessi, massimizzandone così l’aspettativa di vita.
Non meno importante, H2 Kibou Field fornirà a Panasonic nuovo know-how e dati reali utili alla futura commercializzare delle innovative soluzioni RE100, orientate alla creazione di una società carbon neutral, specie per quanto riguarda il controllo integrato di più celle a combustibile.
Nel 2020 l’Unione Europea aveva predisposto un piano di investimenti di oltre 500 miliardi di euro per la produzione dell’idrogeno verde, che prevedeva l’installazione di elettrolizzatori per una potenza di 6 GW (pari a 1 milione di tonnellate di idrogeno) entro il 2024, da incrementare a 40 GW (10 milioni di tonnellate) entro il 2030. In seguito alla riduzione delle importazioni di metano causata dal conflitto in Ucraina, con il piano RePower EU l’obiettivo è stato praticamente raddoppiato, portandolo a 10 milioni di tonnellate di idrogeno verde da produrre in Europa entro il 2030, più ulteriori 10 milioni di tonnellate da importare dai paesi del Nord Africa grazie alla realizzazione di idrogenodotti per almeno 20.000 km.
L’Italia svolge un ruolo cruciale nel piano RePower EU in quanto, dal punto di vista geografico, presenta notevoli potenzialità di produzione di energia rinnovabile e costituisce l’approdo naturale degli idrogenodotti provenienti dall’altra sponda del Mediterraneo. Numerosi altri paesi hanno deciso di puntare decisamente sull’idrogeno verde. L’Arabia Saudita, ad esempio, realizzerà NEOM, una città futuristica situata sulle coste del Mar Rosso che dovrebbe ospitare milioni di persone, nella quale si utilizzerà solo idrogeno ottenuto da fonti rinnovabili grazie alla costruzione del più grande impianto di elettrolisi al mondo (4 GW di potenza), che sarà alimentato da energia eolica e fotovoltaica.
