Idrogeno ricavato da materiali di scarto per motori fissi e mobili

La decarbonizzazione dei sistemi energetici fissi e mobili richiede nuove modalità di produzione e utilizzo dell’idrogeno. La fornitura di idrogeno di elevata purezza (99,999%) prodotto per via elettrolitica per le celle a combustibile rappresenta lo stato dell’arte, ma comporta un elevato impegno tecnico e finanziario. In particolare per le applicazioni decentralizzate, al di fuori della rete principale di idrogeno prevista, ad esempio in agricoltura o nel settore edile, finora mancano soluzioni economicamente sostenibili. Allo stesso tempo, in questi settori sono ormai affermati robusti motori diesel che possono essere convertiti in motori a combustione a idrogeno con un onere gestibile.

Nel progetto Waste2HyEngine, gli Istituti Fraunhofer UMSICHT e IKTS, l’Università di Heilbronn e la DEUTZ AG perseguono un approccio su misura per questo caso d’uso: tramite processi di conversione termochimica come la pirolisi, i residui biogenici vengono trasformati in un gas di sintesi ricco di idrogeno. Questo gas viene testato in funzionamento continuo su un motore a combustione a idrogeno stazionario convertito. L’attenzione è rivolta al comportamento di funzionamento del motore con diverse composizioni del gas. I risultati ottenuti finora sono promettenti: il motore funziona in modo regolare e stabile anche con percentuali di idrogeno variabili dal 40 al 100% in volume nel gas. Ciò apre la strada a due nuovi scenari di utilizzo.

Percorso 1: Utilizzo diretto nel luogo di produzione

Per l’utilizzo esclusivamente come combustibile in impianti fissi, un’ulteriore concentrazione della percentuale di idrogeno nel gas di pirolisi non è tecnicamente necessaria. Nei luoghi con elevata produzione di residui – come gli impianti di compostaggio, gli impianti di trattamento dei rifiuti organici, mulini o segherie – è quindi disponibile, senza necessità di un’ulteriore concentrazione della frazione di idrogeno, una fonte di combustibile economica ed ecologica per le centrali di cogenerazione, che forniscono elettricità e calore per il proprio funzionamento. Rimane comunque necessaria una depurazione del gas a monte per la separazione di catrami, polveri e composti di zolfo, al fine di proteggere il motore a lungo termine; tuttavia, l’onere di trattamento è notevolmente inferiore rispetto alla produzione di un gas di qualità idonea alle celle a combustibile.

Percorso 2: Concentrazione per applicazioni mobili e trasporti

Se il gas ricco di idrogeno deve essere utilizzato per applicazioni mobili in trattori o macchine edili, è opportuno procedere a una concentrazione dell’idrogeno. Nell’ambito del progetto, i partner Fraunhofer UMSICHT e IKTS hanno sviluppato e testato diversi processi a membrana a questo scopo. Finora è stato possibile raggiungere una percentuale di idrogeno pari al 90% in volume. Ciò aumenta la densità energetica in termini di massa e semplifica la successiva logistica dell’idrogeno in termini di trasporto e stoccaggio. In prospettiva, ciò potrebbe portare alla creazione di soluzioni di rifornimento decentralizzate per macchine agricole e da cantiere i cui motori siano stati convertiti all’alimentazione a idrogeno – un percorso che, oltre alla qualità del gas, richiede tuttavia anche progressi in materia di sistemi di stoccaggio a bordo, tecnologia di sicurezza e autorizzazioni.

Requisiti di purezza più bassi aprono la strada a nuove materie prime

Il progetto di ricerca coniuga due vantaggi. I motori a combustione a idrogeno funzionano in modo affidabile anche in presenza di gas di accompagnamento e inerti come azoto, anidride carbonica, monossido di carbonio o metano – a differenza delle celle a combustibile, i cui catalizzatori reagiscono in modo sensibile già a tracce di impurità nell’ordine dei ppm. Allo stesso tempo, è disponibile una grande varietà di residui biogenici che finora non potevano essere utilizzati come fonte di idrogeno, ad esempio i residui di fermentazione degli impianti di biogas, i residui di potatura, i fanghi di depurazione o i rifiuti organici urbani. Questi flussi di materia si generano a livello regionale e oggi vengono per lo più valorizzati in modo poco redditizio; la loro trasformazione in idrogeno ad alta purezza non è economicamente fattibile. Grazie ai requisiti meno rigorosi del motore modificato in termini di qualità del gas, essi diventano per la prima volta utilizzabili come fonte di idrogeno stazionaria o mobile.

«Uniamo la conversione termochimica dei residui all’utilizzo dell’idrogeno nei motori in una catena di processo continua», spiega il dott. ing. Christopher Graf-Kick, coordinatore del progetto presso il Fraunhofer UMSICHT. «La chiave sta nella flessibilità del motore rispetto alla composizione della miscela gassosa: ciò consente di sfruttare scarti che finora non erano prendibili in considerazione per la produzione di idrogeno. Anche l’ulteriore concentrazione, ad esempio tramite tecnologie a membrana innovative, è molto promettente. Consente applicazioni nel settore della mobilità o della logistica dell’idrogeno.»

Nella prima fase del progetto sono stati determinati sistematicamente i limiti di tolleranza di un motore a idrogeno in relazione alla composizione del gas. A tal fine, sul banco di prova dei motori dell’Università di Heilbronn sono state ricreate diverse miscele di gas e testate nel motore. Il motore di prova si basa su un motore diesel a 4 cilindri prodotto dalla DEUTZ AG. Nella conversione al funzionamento a idrogeno, il nuovo sistema di iniezione del gas a comando meccanico dell’Università di Heilbronn rappresenta un componente chiave. «Consente un dosaggio preciso della quantità di gas anche in presenza di composizioni del gas estremamente variabili e può essere installato praticamente in qualsiasi motore diesel», spiega il professor Karsten Wittek, direttore del Laboratorio di macchine a pistoni dell’Università di Heilbronn.

Nella seconda fase del progetto, l’intera catena di processo è stata testata presso il Fraunhofer UMSICHT utilizzando gas di pirolisi reale, ottenuto da materiali di scarto, e la produzione di energia elettrica nel motore a gas di nuova concezione.

Il dott. ing. Georg Töpfer, della DEUTZ AG, afferma: «Da molti anni DEUTZ offre soluzioni di propulsione affidabili per il settore agricolo e quello edile. Con la possibilità di convertire i motori a combustione interna all’idrogeno, apriamo ai nostri clienti una via verso la decarbonizzazione. Se l’idrogeno viene ricavato da scarti regionali, i clienti possono intraprendere questa strada senza dover attendere lo sviluppo delle infrastrutture per l’idrogeno.»

L’applicazione stazionaria come punto di partenza

L’obiettivo immediato del progetto è dimostrare la funzionalità della catena di processo per le centrali di cogenerazione fisse. In prospettiva, la tecnologia si rivolge anche alle applicazioni mobili. Poiché il gas è di origine biogenica, la fornitura di energia risulterebbe, in termini di bilancio, quasi a impatto zero sul clima. Inoltre, durante la conversione termochimica si forma un carbonizzato contenente carbonio. Se questo viene stoccato in modo permanente, ad esempio come carbone vegetale nel suolo, l’intero processo ha il potenziale di risultare a bilancio negativo in termini di CO₂. L’utilizzo di idrogeno biogenico nel settore dei trasporti è computabile in Germania ai fini della quota di gas serra (quota GHG) ai sensi del 37° BImSchV (Regolamento sul riconoscimento dei carburanti a base di energia elettrica e delle materie prime biogeniche co-trattate).

Waste2HyEngine è un progetto collaborativo finanziato dal BMFTR (codice di finanziamento 03SF0754A) con un budget complessivo di 3,3 milioni di euro e una durata che va da marzo 2024 a settembre 2026. L’ente responsabile del progetto è il PtJ (Projektträger Jülich).