Il presente documento è stato redatto nell’ambito del progetto “Studi sulla produzione elettrica locale da biomasse e scarti – Sviluppo di tecnologie e impianti pilota” definito nell’Accordo Triennale tra il Ministero dello Sviluppo Economico e E.R.S.E. S.p.A. firmato il 29 Luglio 2009. L’attività, portata a termine nel periodo di riferimento, riguardante l’utilizzo di biogas per l’alimentazione di celle a combustibile, è stata articolata in tre linee principali: – Rassegna sulle tecniche di produzione di biogas per digestione anaerobica ed esame della letteratura recente sul suo utilizzo in celle a combustibile e sulle principali problematiche che ne derivano. – Sperimentazione di laboratorio su celle a combustibile a carbonati fusi (tecnologia idonea per applicazioni di taglia industriale da 100 kWe a 1 MWe). – Individuazione di un digestore anaerobico per la sperimentazione in campo di una tecnologia di cella a combustibile valida per applicazioni di taglia piccola o media (fino a poche decine di kWe). L’Unione Europea ha riconosciuto il biogas tra le fonti energetiche rinnovabili non fossili che sono in grado non solo di affrontare il problema dell’autonomia energetica, ma anche di contribuire ad una migliore gestione dei rifiuti, con riduzione dell’inquinamento ambientale e dell’effetto serra. La produzione Europea di energia primaria da biogas è in continuo aumento ed ha raggiunto i 7.5 Mtep nel 2008, con una produzione totale di energia elettrica pari a circa 20 TWh. Quasi il 50% della produzione di biogas ed energia spetta alla Germania soprattutto in virtù del grande sviluppo di piccoli produttori di estrazione rurale, con sistemi prevalentemente a digestione anaerobica. L’Italia si colloca al quinto posto per produzione di biogas e al quarto per energia elettrica prodotta ma, come la maggior parte dei paesi Europei, il gas prodotto proviene per la maggior parte da discarica. La direttiva europea 1999/31/EC sulle discariche obbliga gli stati membro a ridurre la quantità di materiale biodegradabile inviato in discarica, proponendosi di arrivare entro il 2016, al 35% dei livelli del 1995. Una delle tecnologie più votate all’utilizzo di tale materiale è la Digestione Anaerobica che, per tale motivo e a fronte d’incentivazioni statali, negli ultimi anni ha avuto un forte incremento anche in Italia. Nel giugno del 2009 erano 360 gli impianti di digestione anaerobica in attività in Italia la gran parte dei quali utilizza il biogas in motori a combustione interna per produzione di energia elettrica (immessa in rete) e calore (ancora poco sfruttato). Un’alternativa alle tradizionali tecnologie, anche se ancora a livello prototipale o pre-commerciale, è l’impiego di sistemi a cella a combustibile, caratterizzati da emissioni ridotte ed efficienze elettriche che possono superare il 50% mantenendosi in pratica costanti in un ampio campo di funzionamento. Differenti sistemi a celle a combustibile sono stati utilizzati in campagne di prova con biogas. Le prime applicazioni di rilievo industriale risalgono agli anni novanta. Negli Stati Uniti alcuni sistemi PAFC (Phosphoric Acid Fuel Cells) da 200 kWe sono stati alimentati con biogas prodotti dalla digestione anaerobica di fanghi in impianti per il trattamento delle acque. Complessi sistemi di pulizia del combustibili sono stati messi a punto per pretrattare il biogas ed abbattere buona parte degli inquinanti, principalmente composti solforati. Negli ultimi anni sono state soprattutto le celle a carbonati fusi ad essere impiegate con biogas. Campagne di prova con sistemi MCFC da 200 kWe fino a 1 MW sono in corso in Germania, Corea del Sud, Giappone e Stati Uniti. A livello di laboratorio si stanno esplorando anche le potenzialità di celle a ossidi solidi (SOFC) e polimeriche ad alta temperatura di esercizio (HT-PEFC). Queste ultime due tecnologie di cella sono interessanti per applicazioni di taglia più piccola, fino a qualche decina di kWe al massimo. In Italia attività di ricerca e sviluppo sulle possibili applicazioni del biogas in celle ad alta temperatura di esercizio (MCFC e SOFC) sono in corso presso aziende costruttrici (AFCo, SOFC Power), centri di ricerca (ENEA) e presso alcune Università (Perugia, Torino, ecc.). L’attività sperimentale di laboratorio ha riguardato la tecnologia di cella a carbonati fusi (MCFC), unanimemente riconosciuta come la più promettente per l’utilizzo di biogas su scala industriale. Diversi sistemi MCFC alimentati a biogas sono già in prova nel mondo con potenze che vanno dai 200 kWe al MW. Nel corso del periodo di riferimento sono state provate due monocelle. In entrambe, la prima parte della sperimentazione è stata dedicata a prove previste dal progetto europeo correlato FCTES QA , mentre la seconda

parte è stata dedicata a prove di avvelenamento con idrogeno solforato, uno degli inquinanti principali presenti nei biogas indipendentemente dalla materia prima utilizzata e dal processo di produzione. Sono stati eseguiti cicli di avvelenamento con concentrazioni crescenti d’idrogeno solforato alternati a periodi di rigenerazione con gas puri a densità di corrente costante. Sono state studiate le dinamiche di decadimento delle prestazioni e di recupero delle stesse. Sia durante le fasi di avvelenamento sia durante le fasi di rigenerazione, sono state eseguite curve caratteristiche e analisi sui gas di processo. La diminuzione della tensione di cella in presenza d’idrogeno solforato avviene in più fasi distinte. La tensione inizia a calare con un certo ritardo rispetto all’immissione dell’inquinante. La diminuzione di tensione è molto veloce e può essere seguita, secondo le condizioni di prova, da una fase di completa stabilità o da un continuo calo, molto più lento del precedente. Le prestazioni di cella possono essere recuperate a condizione di non superare concentrazioni di una decina di ppmv per tempi di esposizione di ore. L’effetto di picchi di concentrazione d’inquinante di 10 ppmv è stato studiato rispetto ad una esposizione ad una concentrazione più bassa (6 ppmv), ma costante, d’idrogeno solforato. Questo tipo di esperimento permette di studiare il comportamento della cella a fronte di un guasto dei sistemi di pulizia del biogas, con il passaggio in cella di quantità d’idrogeno solforato superiori a quelle di progetto. Per picchi di durata compresa tra qualche minuto e un’ora è sempre stato possibile recuperare le prestazioni di cella iniziale. Nel corso di questi esperimenti sono stati rilevati diversi fenomeni che dovrebbero essere approfonditi con nuove indagini sperimentali, quali l’influenza sulla reazione di shift della concomitante presenza d’idrogeno solforato e monossido di carbonio, la dipendenza del carico elettrico applicato sulla stabilità della tensione in presenza di inquinante, differenti modalità di caduta della tensione in presenza di inquinanti a seconda della composizione della matrice di gas puri di riferimento e differenti modalità di rigenerazione a circuito aperto e sotto carico. I parametri che possono influenzare il risultato finale durante questo tipo di prove sono, in effetti, numerosi. Precise procedure di prova sono necessarie per ottenere risultati affidabili ed evitare artefatti sia nelle prove con la cella in funzione sia sulle analisi post test dei componenti eserciti. Un documento specifico (Rapporto RdS ERSE 10001196) è stato dedicato alle linee guida per una corretta sperimentazione di monocelle MCFC alimentate con gas simulanti quelli che si ottengono dalla riforma dei biogas. Oltre all’attività sperimentale sulle monocelle, è stata completata la sperimentazione di uno stack MCFC da 1 kWe avviato nel precedente periodo di riferimento. In totale sono state accumulate circa 2700 ore di funzionamento a caldo (T>600 °C) e sono stati eseguiti quattro cicli completi di accensione e spegnimento, superati con successo e senza che fossero evidenziati particolari effetti correlabili a ciclaggio termico. Le prestazioni di progetto (potenza di uscita di 1 kWe) sono state ottenute durante il secondo periodo di funzionamento. Nel presente periodo di riferimento, nell’ultima fase di funzionamento dello stack, sono state provate, con successo, condizioni di funzionamento a elevato utilizzo del combustibile, situazione che tipicamente si verifica anche su impianti alimentati a biogas. Per la campagna di prova in campo è stato identificato un digestore anaerobico sperimentale che potrebbe essere messo a disposizione del progetto per una campagna sperimentale della durata di circa un anno. Il digestore anaerobico è di tipo “dry” a regime di funzionamento mesofilico/termofilico ed è in grado di rendere disponibile per la sperimentazione circa 100 m 3 /giorno di biogas, con concentrazioni stimate di metano pari al 60% in volume. Un sistema di potenza a cella a combustibile di taglia dell’ordine di qualche kW, risulta idoneo per quest’applicazione. Le due tecnologie di cella a combustibile che appaiono al momento più promettenti in questo intervallo di potenze sono le HT-PEFC (celle a elettrolita polimerico ad alta temperatura di esercizio) e le SOFC (celle a combustibile a ossidi solidi). ERSE ha individuato quattro possibili fornitori: un laboratorio universitario che sviluppa stack HT-PEFC e tre aziende costruttrici di sistemi SOFC. Tutti hanno esperienze in corso su applicazioni con uso di biogas ed hanno manifestato interesse per il progetto, facendoci pervenire valutazioni economiche preliminari. Nel corso del presente periodo di riferimento è proseguita l’attività di ERSE nei due progetti UE correlati FCTEDI e FCTES QA , entrambi del sesto programma quadro. FCTEDI è terminato nel dicembre 2009, mentre FCTES QA finirà nell’aprile 2010. In ambito FCTES QA è stato realizzato un Round Robin su due monocelle a carbonati fusi fornite da AFCo. Nella prima parte della sperimentazione di entrambe sono state verificate le procedure di prova che si riferiscono all’esecuzione di caratteristiche tensione – densità di corrente, di prove di utilizzo del combustibile e di misure del cross over. Il Round Robin FCTES QA prevedeva anche lo scambio di ricercatori tra i partner italiani e coreani del progetto. ERSE ha ospitato presso il laboratorio celle a combustibile tre ricercatori coreani del KIST. Nell’occasione sono state sperimentate le procedure di prova coreane per l’esecuzione di curve caratteristiche tensione – densità di corrente e di curve di utilizzo. Il progetto FCTEDI aveva come principale obiettivo quello della disseminazione dei risultati di FCTES QA e del precedente network europeo FCTESTNET presso organismi internazionali quali la IEC (International

Electrotechnical Commission) e la IEA (International Energy Agency). In particolare l’esperto di ERSE coinvolto nel progetto FCTEDI ha contribuito alla preparazione della seconda edizione della Specifica Tecnica IEC 62282-1 Terminology, trasformato in un glossario internazionale delle celle a combustibile, (in corso di pubblicazione) ed alla diffusione dei dati sulla validazione di procedure di prova per la caratterizzazione di celle da laboratorio e sistemi di potenza a celle a combustibile, sempre in ambito IEC. Ricercatori di ERSE hanno infine partecipato ai Workshop internazionali “Gaps between regulations and standards for stationary fuel cell systems” e “Diagnostic tools for fuel cell technologies”, rispettivamente con una presentazione orale e un poster, e sono stati presenti nel Comitato Scientifico della Third European Fuel Cell Technology &Applications Conference EFC 2009. Questo rapporto è frutto dell’attività di ERSE nel periodo di riferimento ed è virtualmente articolato in tre sezioni, in cui sono presentate: – La rassegna sulle tecniche di produzione di biogas per digestione anaerobica e lo stato dell’arte dell’utilizzo di biogas in celle a combustibile, con le principali problematiche che ne derivano (Cap. 2). – L’attività sperimentale di laboratorio e la descrizione dei contatti intercorsi per la realizzazione del progetto di accoppiamento di un digestore anaerobico a un sistema a cella a combustibile (Cap. 3). – I progetti europei correlati (Cap. 4), le partecipazioni ad attività di normativa tecnica (Cap. 5) e a convegni (Cap. 6).