L’immagazzinamento definitivo dell’energia: Ammoniaca

Sfide dell’energia verde

Con il cambiamento climatico che causa condizioni meteorologiche estreme più frequenti e l’IPCC che fissa obiettivi di riduzione delle emissioni per prevenire un aumento della temperatura di altri 1,5 gradi, il mondo sta facendo sforzi per passare all’energia rinnovabile. Con la transizione globale dai combustibili fossili all’energia verde in corso, c’è bisogno di stoccaggio a lungo termine e di trasmissione a lungo raggio di questa energia verde. L’ammoniaca è adatta per entrambe le applicazioni, in quanto a temperatura ambiente l’ammoniaca liquida è un vettore altamente efficiente di idrogeno che può essere facilmente trasportato. Le celle a combustibile che possono sfruttare l’idrogeno dall’ammoniaca offrono significativi progressi nel superare le sfide chiave dell’energia verde:

• Fornire energia verde quando altre fonti rinnovabili sono disponibili in modo intermittente

L’energia solare viene prodotta solo quando il sole splende. L’energia eolica è prodotta solo quando soffia il vento. Il fatto che la disponibilità di queste fonti di energia rinnovabile, sempre più popolari, sia limitata dalle condizioni meteorologiche, diventa sempre più importante man mano che queste fonti di energia costituiscono una porzione maggiore dell’energia totale generata. Il disallineamento tra la produzione di energia rinnovabile e la domanda dei consumatori è dimostrato dall’ormai famosa curva dell’energia rinnovabile; le fluttuazioni nei bilanci energetici causate dalle rinnovabili creano serie sfide per le compagnie elettriche che devono soddisfare questa domanda. La risposta a questa sfida verrà da soluzioni di immagazzinamento dell’energia rinnovabile prontamente disponibili. Le celle a combustibile ad alta disponibilità possono essere una componente importante di queste soluzioni.

• Sfruttare la capacità in eccesso dalle rinnovabili

Invece di ridurre la capacità in eccesso generata dalle rinnovabili, questa energia in eccesso può essere immagazzinata come ammoniaca liquida per un uso futuro nelle celle a combustibile. Questa fonte di ammoniaca sarebbe un’alternativa pulita all’ammoniaca industriale che viene prodotta attraverso il processo di produzione Haber-Bosch.

• Offrire un’alternativa verde e a basso costo al diesel
  I generatori a diesel fino ad oggi hanno giocato un ruolo importante nel fornire energia nelle economie di rete povere dei paesi in via di sviluppo. Questi generatori sono almeno parzialmente responsabili dell’inquinamento atmosferico da diesel e altri combustibili fossili che causa la morte di 7 milioni di persone nel mondo ogni anno. La sostituzione del gasolio con “ammoniaca verde” come vettore energetico renderebbe l’energia verde pulita e affidabile disponibile per i 3,5 miliardi di persone che vivono in aree off-grid o poor-grid. Il lancio della soluzione GenCell A5 off-grid per le torri di telecomunicazione e l’elettrificazione rurale a base di ammoniaca permetterà l’accesso all’energia a milioni di persone che ora sono ancora fuori dalla rete.

Approcci allo stoccaggio dell’energia rinnovabile

Fino ad oggi, il mercato dell’energia si è concentrato principalmente su due approcci principali allo stoccaggio dell’energia rinnovabile – batterie ricaricabili e idrogeno. Varie tecnologie sono utilizzate per sviluppare batterie ricaricabili di diversi tipi e dimensioni. I vantaggi delle batterie includono l’efficienza energetica e la lunga durata di vita grazie alla ricarica e alla trasportabilità. D’altra parte, i loro svantaggi includono il peso e l’ingombro significativi, gli alti costi di produzione, il rapido deterioramento, i rischi per la sicurezza e i problemi relativi al loro smaltimento.

In parallelo alle batterie, un’altra tendenza popolare per l’immagazzinamento dell’energia è basata sulla tecnologia dell’idrogeno, come le applicazioni che sfruttano l’idrogeno per alimentare le celle a combustibile, i veicoli ricaricabili e i macchinari mobili, tra le altre applicazioni innovative. Applicazioni come l’elettrolisi producono idrogeno pulito e verde dall’acqua con l’aiuto dell’energia rinnovabile in eccesso; questo idrogeno può essere trasportato, immagazzinato e consentire la ri-elettrificazione con celle a combustibile.

La capacità di immagazzinare energia sotto forma di idrogeno è molto superiore a quella delle batterie. Allora perché questa tecnologia non ha conquistato il mercato? La ragione è che l’immagazzinamento dell’energia sotto forma di idrogeno è una sfida. Costruire una valida infrastruttura di idrogeno per la consegna dalla produzione ai siti di consumo non è una cosa semplice. La produzione centralizzata di massa di idrogeno, sia come gas che come liquido, comporta alti costi di consegna e distribuzione, mentre la produzione distribuita a basso volume è proibitiva. La consegna dell’idrogeno è limitata da costi elevati, perdite di efficienza energetica in transito, problemi di purezza dell’idrogeno e propensione alle perdite.

Gli scienziati stanno lavorando su nuovi vettori di idrogeno per superare questi vincoli. I vettori di idrogeno possono immagazzinare idrogeno in uno stato chimico diverso dalle molecole di idrogeno libero. Un metodo interessante per fornire idrogeno comporta l’idratazione di un composto chimico nel luogo di produzione e poi la disidratazione nel punto di consegna o all’interno di una cella a combustibile. I potenziali vettori includono tecnologie di stoccaggio chimico e fisico come idruri metallici, carbonio o altre nanostrutture e idrocarburi reversibili. Altri approcci prevedono il pompaggio dell’idrogeno in caverne sotterranee, molte delle quali sono state create da attività minerarie, dove viene immagazzinato in modo sicuro. La tecnologia Power to Gas inietta idrogeno nel gas naturale che viene trasportato attraverso le infrastrutture esistenti. La combustione libera l’energia; sostituendo il 20% del carbonio con l’idrogeno, le emissioni si riducono analogamente del 20%.

Ammonia come vettore energetico

Un’altra opzione è quella di utilizzare l’ammoniaca come vettore energetico. I vantaggi sono molti. In primo luogo, l’ammoniaca è economica. Disponibilità – la seconda sostanza chimica più prodotta al mondo, 200 milioni di tonnellate di ammoniaca sono prodotte ogni anno. Trasportabilità – l’ammoniaca è facile da immagazzinare e non richiede uno stoccaggio ad alta pressione. Un altro vantaggio chiave è la compatibilità chimica dell’ammoniaca con le celle a combustibile alcaline che usano un elettrolita alcalino. E quando l’ammoniaca viene spaccata per produrre idrogeno, non vengono emessi inquinanti nocivi. Poiché non c’è carbonio, non vengono prodotti sottoprodotti di carbonio – così l’ammoniaca è un’opzione “carbon neutral” per il futuro. Anche se l’ammoniaca è una sostanza chimica tossica con un odore potente, quando viene maneggiata con cura e in conformità con i regolamenti è usata in modo sicuro in agricoltura, refrigerazione, semiconduttori, tinture per capelli e purificazione dell’acqua, tra le altre applicazioni. Ma il più grande vantaggio dell’ammoniaca come vettore di idrogeno è il fatto che come liquido, con una leggera pressurizzazione e senza vincoli criogenici, offre un’alta densità di stoccaggio di idrogeno.

GenCell ha già oggi sviluppato una cella a combustibile che sfrutta l’ammoniaca liquida per alimentare una soluzione di alimentazione off-grid che agisce come una “nano-centrale” autonoma oltre la rete, consentendoci di sostituire i generatori diesel inquinanti nel fornire elettricità oltre la rete. Oggi queste celle a combustibile funzionano con ammoniaca prodotta industrialmente, principalmente prodotta attraverso il processo Haber-Bosch, comunemente usato ma altamente inquinante. Nel processo di sintesi dell’ammoniaca di Haber-Bosch, l’azoto reagisce con l’idrogeno usando un catalizzatore metallico. Il processo è condotto a una pressione di 200 atm e ad alte temperature di reazione di quasi 500°C. Si afferma che il processo Haber-Bosch è uno dei maggiori responsabili dell’accumulo di azoto reattivo nella biosfera. Per offrire un’energia completamente verde, stiamo lavorando allo sviluppo di un processo ecologico per creare ammoniaca verde che possa sostituire l’inquinante processo Haber-Bosch. Questo permetterebbe la produzione industriale di ammoniaca pulita usando energia rinnovabile per una vasta gamma di applicazioni, dai fertilizzanti e la purificazione dell’acqua fino a fornire combustibile per soluzioni di celle a combustibile alcaline. Poiché questa equazione non include il carbonio, una volta maturata, questa tecnologia ci permetterà di avere una generazione di energia distribuita verde al 100%. Prevediamo di attivare un ciclo di energia completamente pulita producendo ammoniaca verde in loco utilizzando l’energia solare ed eolica, utilizzando l’ammoniaca per far funzionare i generatori di celle a combustibile alcalino ovunque oltre la rete, consentendo l’elettrificazione rurale e portando il mondo più vicino alla parità di rete. Per ulteriori informazioni, contattateci all’indirizzo [email protected].

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