Rinnovabili • stoccaggio dell’idrogeno

Lo stoccaggio dell’idrogeno nel sottosuolo: sfide e opportunità

I benefici, gli ostacoli e le prospettive dello stoccaggio dell'idrogeno in serbatoi sotterranei, come caverne di sale e giacimenti esauriti di idrocarburi

stoccaggio dell’idrogeno
Via depositphotos.com

di Martina Leveni

L’idrogeno, considerato un vettore energetico promettente, ha il potenziale per svolgere un ruolo cruciale nel futuro sistema energetico. La transizione energetica pone la sfida di incorporare sempre più fonti di energia rinnovabili, ma esse sono variabili e soggette a vincoli geografici e/o stagionali. Ciò significa che l’energia rinnovabile senza accumulo di energia non è in grado di soddisfare la domanda energetica dell’intero sistema. Quindi la necessità di trovare soluzioni efficaci per l’immagazzinamento dell’energia diventa sempre più urgente. 

Gli impianti di stoccaggio dell’idrogeno in superficie hanno una capacità dell’ordine di ore-giorni e MWh. Al contrario, per fornire energia nell’intervallo dei GWh/TWh (e quindi settimane/mesi), è necessario stoccare l’idrogeno nel sottosuolo in serbatoi come caverne di sale, serbatoi di idrocarburi esauriti e/o acquiferi profondi. In questo articolo esploreremo i benefici, le sfide e le prospettive dello stoccaggio dell’idrogeno nel sottosuolo. 

Lo stoccaggio di idrogeno sarà ciclico, il gas viene immagazzinato temporaneamente per essere estratto successivamente per soddisfare la domanda energetica di picco (ad esempio il picco di domanda di riscaldamento domestico durante l’inverno). Inoltre, proprio il ciclo stagionale potrebbe porre maggiore enfasi sulla co-ubicazione della produzione di idrogeno in sito per ridurre al minimo i costi dovuti al suo trasporto.  Il serbatoio geologico deve soddisfare diversi requisiti per lo stoccaggio del fluido: deve essere lontano da faglie sensibili, avere una capacità sufficiente, una buona iniettività ed essere una trappola strutturale. Quest’ultima caratteristica è particolarmente importante poiché la purezza e la perdita di volume di H2 devono essere ridotte al minimo durante il suo stoccaggio e estrazione.

Inoltre, a differenza della CO2, non vi è un netto aumento della densità del fluido con la profondità, quindi ci sono meno incentivi a raggiungere i serbatoi geologici più profondi. Lo stoccaggio dell’idrogeno nel sottosuolo in molti aspetti è simile all’attuale utilizzo dello stoccaggio sotterraneo di gas naturale. Tuttavia, al contrario dello stoccaggio di gas naturale, l’esperienza industriale di accumulo dell’idrogeno è solo all’inizio.

Le caverne di sale, ad esempio, sono state ampiamente utilizzate per lo stoccaggio del gas naturale negli Stati Uniti e nel Regno Unito dagli anni ’60 [1]. Sono una tecnologia ormai matura, ma presentano svantaggi per l’implementazione su larga scala. Inoltre la disponibilità di depositi salini sufficientemente spessi è geologicamente limitata ad aree geografiche specifiche.

Le falde acquifere saline e i giacimenti esauriti di idrocarburi sono stati identificati come una valida opzione di stoccaggio sotterraneo di H2 a grande scala in quanto sono onnipresenti e considerati a basso rischio. Tuttavia, l’intermittenza dei cicli di iniezione e estrazione del fluido solleva ulteriori sfide per l’integrità del pozzo e la deformazione della roccia sotto carico ciclico. Inoltre, la presenza e lo stato di integrità delle faglie  potrebbe rappresentare un rischio maggiore con l’aumento della frequenza dei cicli e dei carichi, come osservato nelle applicazioni petrolifere. Gli effetti fisici e chimici nel giacimento attualmente non sono ben chiari. I microrganismi nel sottosuolo possono metabolizzare H2, consumandolo e producendo gas contaminanti indesiderati come l’acido solfidrico (H2S) oppure prodotti come il metano (CH4). Ciò potrebbe limitare lo stoccaggio sotterraneo di H2 a formazioni profonde e ad alta salinità per sopprimere l’attività microbica. Inoltre l’idrogeno iniettato in un serbatoio poroso cambierà l’equilibrio chimico tra l’acqua presente nei pori del serbatoio, il gas disciolto e la matrice rocciosa innescando reazioni chimiche. Queste reazioni chimiche potrebbero portare a perdite significative di idrogeno. La dissoluzione e/o precipitazione minerale può ridurre o aumentare la permeabilità del serbatoio e quindi il flusso di H2, oltre alla potenziale apertura di percorsi migratori attraverso il caprock (formazione geologica impermeabile al di sopra del serbatoio). Infine la dissoluzione dei minerali influisce anche sulle proprietà meccaniche del serbatoio e del caprock [2].

Come per lo stoccaggio di CO2, l’accettazione da parte della società dipenderà dalla sostenibilità percepita della fonte energetica e dall’uso dell’idrogeno, insieme al contesto locale e a fattori più ampi come le preoccupazioni per la sicurezza, la fiducia nell’industria e considerazioni di giustizia sociale. E’ chiaro che vi sono una serie di questioni scientifiche che devono essere affrontate per consentire lo stoccaggio sotterraneo di idrogeno su larga scala in mezzi porosi come motore della transizione energetica [1]. Queste sfide includono il comportamento del flusso di H2 nei serbatoi geologici, le reazioni geochimiche causate dall’introduzione di idrogeno, le reazioni biotiche dovute alla presenza di un eccesso di idrogeno e la risposta geomeccanica del sottosuolo allo stoccaggio di H2. I rischi posti da questi processi potrebbero avere conseguenze economiche e di sicurezza sulle operazioni di stoccaggio.  Quindi modelli a scala di serbatoio per valutare accuratamente e prevedere l’impatto dello stoccaggio stagionale di idrogeno sono necessari. Ciò può aprire la strada a un processo decisionale informato in merito alle strategie operative per garantire un’implementazione sicura ed efficiente [2]. In conclusione lo stoccaggio dell’idrogeno nel sottosuolo rappresenta una soluzione promettente che potrebbe contribuire in modo significativo alla decarbonizzazione del settore energetico, industriale e dei trasporti,  consentendo una maggiore integrazione delle energie rinnovabili. L’implementazione su larga scala richiederà un impegno continuo da parte dei governi, delle industrie e delle istituzioni di ricerca per affrontare le sfide tecniche, promuovere l’innovazione e creare un ambiente favorevole per lo sviluppo e l’adozione di questa tecnologia.

RIFERIMENTI

[1] Krevor, Samuel, et al. “Subsurface carbon dioxide and hydrogen storage for a sustainable energy future.” Nature Reviews Earth & Environment (2023): 1-17.

[2] Heinemann, Niklas, et al. “Enabling large-scale hydrogen storage in porous media–the scientific challenges.” Energy & Environmental Science 14.2 (2021): 853-864.

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Rinnovabili • Simulare i fenomeni termomeccanici

Simulare i fenomeni termomeccanici [Webinar]

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Martedì 18 giugno COMSOL terrà un seminario gratuito dedicato alla simulazione multifisica delle interazioni termomeccaniche

fenomeni termomeccanici

Come prevedere la tendenza di un materiale a cambiare di volume in risposta ad un cambiamento di temperatura all’interno di un sistema meccanico? Come valutare l’effetto sulle prestazioni di fenomeni termomeccanici come il riscaldamento Joule? Come modellare le possibili deformazioni indotte dal calore e studiarne le conseguenze sul comportamento meccanico di strutture solide?

Per tutte queste domande esiste una risposta “semplice”: la simulazione multifisica. Questo strumento d’analisi permette, a partire da un sistema complesso, di simulare i singoli aspetti (elettrici, meccanici, termici o chimici) e gli effetti della loro interazione. Nel dettaglio la simulazione multifisica permette di creare un modello matematico e analizzarlo minuziosamente con l’obiettivo di prevedere o convalidare il risultato del mondo reale. Evidenziando eventuali criticità e ottimizzando i progetti ancor prima della prototipazione. 

Nel settore delle energie rinnovabili (ma non solo) l’approccio risulta particolarmente valido per il comportamento meccanico di strutture solide dove la complessità dei fenomeni termomeccanici richiede necessariamente un’attenzione e una cura più elevate durante la fase progettuale. 

A spiegarne vantaggi e potenzialità è il nuovo webinar gratuito di COMSOL, una delle aziende leader nello sviluppo software di modellazione matematica. L’evento, in programma per il 18 giugno alle ore 14.30 permetterà ai partecipanti di comprendere come sia possibile analizzare le strutture meccaniche combinando tutti gli effetti fisici e le interazioni rilevanti. 

 Lo strumento principe è COMSOL Multiphysics®, uno dei software di modellazione più avanzati del settore, in grado simulare progetti, dispositivi e processi in ogni ambito tecnologico. Grazie al modulo dedicato alla Meccanica Strutturale, la piattaforma permette di analizzare la meccanica dei solidi, simulando il comportamento dei materiali, delle dinamiche, delle vibrazioni, dell’attrito ecc. all’interno di un unico modello e di un unico ambiente di modellazione.

Il modulo offre accoppiamenti multifisici integrati che includono anche gli aspetti termici, a partire dalle semplici condizioni operative di un dispositivo, per arrivare a fenomeni più complessi come l’effetto Joule. La piattaforma rende possibile, infatti, modellare la conduzione della corrente elettrica in una struttura, il successivo riscaldamento elettrico causato dalle perdite ohmiche e le sollecitazioni termiche indotte dal campo di temperatura.

Simulare i fenomeni termomeccanici

Per avere una panoramica completa delle possibilità durante il seminario i tecnici Comsol esamineranno i diversi meccanismi importanti da considerare in un modello termomeccanico. Come ad esempio il creep termico, ossia la deformazione anelastica che si verifica nel tempo quando un materiale è sottoposto a stress a una temperatura pari o superiore al 40% del punto di fusione. O ancora lo smorzamento termoelastico, che si verifica quando si sottopone un materiale a stress ciclico di compressione e di espansione. La deformazione ciclica crea variazioni locali di temperatura in grado a loro volta di produrre perdite meccaniche.

Il webinar passerà in rassegna vari casi di studio ed esempi di modelli, mostrando il software in azione e rispondendo in tempo reale a tutte le domande dei partecipanti.

Partecipa al seminario gratuito dedicato alla simulazione dei fenomeni termomeccanici registrandoti all’indirizzo  https://www.comsol.it/c/fvmd 

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About Author / Stefania Del Bianco

Giornalista scientifica. Da sempre appassionata di hi-tech e innovazione energetica, ha iniziato a collaborare alla testata fin dalle prime fasi progettuali, profilando le aziende di settore. Nel 2008 è entrata a far parte del team di redattori e nel 2011 è diventata coordinatrice di redazione. Negli anni ha curato anche la comunicazione e l'ufficio stampa di Rinnovabili.it. Oggi è Caporedattrice del quotidiano e, tra le altre cose, si occupa quotidianamente delle novità sulle rinnovabili, delle politiche energetiche e delle tematiche legate a tecnologie e mercato.


Rinnovabili • Decreto FER X

Decreto FER X, aste entro la fine dell’anno

Lo ha dichiarato il sottosegretario al MASE, Claudio Barbaro, ma l'iter del Decreto Fer X appare ancora indietro con i tempi

Decreto FER X
Foto di Ed White da Pixabay

Incentivi alle rinnovabili, la normativa in attesa

Il Decreto FER X è in dirittura d’arrivo e le prime procedure competitive del provvedimento potrebbero essere lanciate entro la fine del 2024. Questa perlomeno è la previsione avanzata dal sottosegretario al Ministero dell’Ambiente e della Sicurezza Energetica, Claudio Barbaro, durante un’interrogazione alla Camera. Rispondendo in X Commissione ad un quesito dell’onorevole Peluffo sui tempi di adozione del DM FER-X, Barbaro ha fatto chiarezza sui prossimi passi del provvedimento.

Lo schema, ha ricordato il sottosegretario, è stato trasmesso all’ARERA nel mese di aprile ai fini dell’acquisizione del parere. L’Authority dovrebbe far sapere la propria posizione in questi giorni per poi “passare la palla” alla Conferenza Unificata. A valle dell’acquisizione di quest’ultimo parere “sarà possibile procedere con la notifica formale del provvedimento in Commissione europea per la verifica dei profili di compatibilità con la disciplina in materia di Aiuti di Stato”.

Decreto FER X, quando arriva?

Il percorso, dunque, si prospetta ancora lungo ma il Sottosegretario rassicura gli animi spiegando che il MASE sta cercando di velocizzare i passaggi rimanenti. “Per accelerare […] il Ministero ha già avviato i colloqui con la Commissione con l’obiettivo di illustrare le principali novità introdotte dal meccanismo. Tra le innovazioni, rispetto al disegno attuale, il nuovo schema prevede infatti che il Sistema si faccia carico del rischio dovuto alle dinamiche inflattive, particolarmente accentuate nell’ultimo anno, in modo tale da rendere i corrispettivi riconosciuti più adeguati alla struttura di costo e alla sua evoluzione, riducendo così i rischi degli operatori“.

Il Decreto, ricordiamo, nasce per sostenere la produzione di energia elettrica da impianti rinnovabili “con costi vicino alla competitività di mercato”. Ossia fotovoltaici, eolici, idroelettrici e di trattamento dei gas residuati dai processi di purificazione. L’ultima bozza del decreto FER X riporta due modalità di accesso agli incentivi: quella diretta, riservata ai sistemi rinnovabili di taglia uguale o inferiore ad 1 MW per un massimo di 5 GW sviluppabili in Italia; quella tramite aste, nel caso di impianti di potenza superiore a 1 MW (e con contingenti differenziati per tecnologia che vanno da un 45 GW per il fotovoltaico allo 0,02 GW per i gas residuati).

Barbaro ha anche anticipato che per mitigare le problematiche relative all’operatività dei contratti alle differenze convenzionali, il Ministero ha provveduto a “ridisegnare la struttura dei pagamenti del contratto al fine di disincentivare l’offerta della capacità contrattualizzata a prezzi inferiori ai propri costi marginali”. Un intervento che permetterebbe al tempo stesso di “ridurre il rischio volume sostenuto dai titolari della medesima capacità“. Le prime aste? “Potranno essere bandite entro la fine dell’anno“, ha concluso il sottosegretario.

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Rinnovabili • pcb ricarica

PCB per la ricarica dei veicoli elettrici (EVC)

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Il ruolo e l'importanza dei circuiti stampati nel mondo della ricarica dei veicoli elettrici

pcb ricarica

Il mondo dell’EV charging promette di cambiare il nostro modo di spostarci e di viaggiare e molte sono le tecnologie in gioco per raggiungere questo ambizioso obiettivo. L’elettronica svolge di certo un ruolo chiave, ma è necessario sviluppare prodotti ad hoc per questo segmento di mercato, che siano in grado di gestire picchi energetici, alte temperature, funzionalità molteplici e dimensioni ridotte. Molte di queste necessità devono essere soddisfatte nella progettazione di un circuito stampato (anche detto PCB) che permetterà di garantire funzionalità, affidabilità ed efficienza di una colonnina di ricarica. I PCB (Printed Circuit Boards) sono infatti fondamentali per consentire una ricarica affidabile e ad alta potenza e si sono evoluti parallelamente allo sviluppo di colonnine di ricarica sempre più performanti, di dimensioni più compatte e più leggere.

Diminuendo le dimensioni delle colonnine di ricarica, anche lo spazio dedicato ai PCB si è ridotto, portando i progettisti di circuiti stampati a studiare nuovi design che permettessero di ottenere le stesse prestazioni in dimensioni più contenute. In alcuni casi può essere sufficiente usare elementi più compatti, in altri lavorare sulla densità del circuito, oppure optare per un maggior numero di strati che possano ospitare tutte le funzionalità richieste, o ancora prestare particolare attenzione alla larghezza delle piste e alla distanza di isolamento.

I circuiti stampati dedicati al mondo dell’ev charging devono inoltre poter gestire correnti e tensioni elevate, che richiedono l’uso di materiali specifici e spesso di una grande quantità di rame che permetta di condurre considerevoli flussi di corrente e dissipare il calore in eccesso.

I circuiti stampati di un EV charger non sono solo sviluppati per garantire il fine ultimo della colonnina, la ricarica in sè, ma anche un’esperienza di acquisto adeguata. Se, da un lato, la crescente richiesta di tempi di ricarica più rapidi richiede una tecnologia dei PCB in grado di supportare operazioni di ricarica efficienti e ad alta potenza, dall’altro devono essere considerate anche tutte le interfacce che includono funzioni come touchscreen, applicazioni mobili, lettori di schede RFID e controlli intuitivi, tutti progettati con lo scopo di migliorare l’esperienza dell’utilizzatore di una colonnina di ricarica.

Attenzione alla sostenibilità nella progettazione di un PCB

Un’attenta progettazione di circuiti stampati può inoltre contribuire alla sostenibilità del prodotto finale, perché permette di ottimizzare spazio e materiali, riducendo gli sprechi. Studiare con attenzione il design del PCB permette di sfruttare il pannello in modo da ridurre la quantità di materie prime necessarie per produrre il circuito stampato ma anche delle risorse richieste per lavorarlo, come acqua, calore ed elettricità. La dimensione inferiore di un circuito stampato si tramuta anche in meno materiali di scarto nel caso in cui la scheda finale abbia dei difetti e debba quindi essere rottamata, e anche un imballaggio con dimensioni minori, peso minore con conseguente riduzione del costo di spedizione. I vantaggi sono quindi al contempo ambientali ed economici.

NCAB ha sviluppato delle linee guida che permettono di identificare i fattori che determinano il costo di un PCB  e supporta i propri clienti sin dalle prime fasi della progettazione per raggiungere obiettivi di sostenibilità comuni. 

I webinar sul circuito stampato di NCAB Group

Per questo motivo il Gruppo svedese mette a disposizione il know how dei propri tecnici attraverso un fitto programma di webinar gratuiti dedicati al circuito stampato. 

Giovedì 13 giugno 2024, in particolare, Jonathan Milione, FAE di NCAB Group Italy, terrà un webinar dal titolo “PCB affidabili per l’EVC​ – Opportunità, sfide e applicazioni in ambito ricarica EV“ a cui è possibile iscriversi da questo link https://attendee.gotowebinar.com/register/3189250463637126235

Parleremo di:

  • Evoluzione e sfide del settore dei veicoli elettrici
  • Metodi di ricarica e sviluppi tecnologici delle colonnine di ricarica
  • Soluzioni di design per PCB: sistemi di ricarica ad alta potenza

leggi anche Circuiti stampati più sostenibili, l’approccio virtuoso di NCAB Group

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