gas naturale

Sapere: Power-to-gas

Tecnologia promettente

«Power to Gas» consente di immagazzinare l'elettricità in esubero prodotta da centrali solari, eoliche o idrauliche sotto forma di metano (gas naturale sintetico) o idrogeno. È una tecnologia molto promettente ai fini di un approvvigionamento energetico sostenibile in Svizzera. Al riguardo, la rete del gas naturale svolge un ruolo essenziale: quello di deposito per le energie rinnovabili.

Quando si produce più energia elettrica di quanta ne viene consumata è possibile stoccare a lungo termine le eccedenze mediante la produzione di metano. Questo permette di trasferire, dalla rete elettrica alla rete del gas, grandi quantitativi di energia da fonti rinnovabili al fine di una maggiore flessibilità in termini di tempo e luogo.

Metodo

L'acqua è scissa in idrogeno e ossigeno tramite l'elettricità in esubero (processo di elettrolisi). L'idrogeno viene poi immesso insieme a dell'anidride carbonica (CO2) in un reattore e trasformato in gas metano­, che può essere immesso nella rete pubblica del gas. Il metano ottenuto con questa tecnologia non genera emissioni supplementari di CO2, in quanto l'anidride carbonica che si libera durante la combustione corrisponde esattamente al quantitativo prelevato dall'ambiente per il processo produttivo. 

Applicazioni in ambito industriale

Scuola universitaria tecnica di Rapperswil

Con il sostegno dell'industria svizzera del gas, l'Istituto per la tecnologia energetica della Scuola universitaria tecnica di Rapperswil (HSR) ha realizzato il primo impianto «Power to Methane» in Svizzera. L'obiettivo era di acquisire il necessario know how per produrre metano climaticamente neutro a partire da energia solare, acqua e CO2 da utilizzare come carburante per veicoli a gas o da immettere nella rete di distribuzione del gas. Il progetto si è concluso con successo nel marzo 2017.

Nel quadro di un progetto di ricerca dell'Unione europea, il suddetto istituto di Rapperswil, in collaborazione con il Politecnico federale di Losanna (EPFL), sta costruendo un impianto Power to Gas più evoluto e ad alta efficienza. Con il sostegno dell'industria svizzera del gas e di altri partner della ricerca e dell'economia, si vuole analizzare questa nuova tecnologia in condizioni prossime all'industria. Lo scopo del progetto HEPP (High Efficiency Power to Methane Pilot) è migliorare il rendimento e dunque l'economicità di questi impianti anche nell'ottica delle applicazioni industriali.

Le reti energetiche se integrano tra loro

Centrale ibrida della Regio Energie Solothurn

Un progetto orientato al futuro nell'ambito dell'approvvigionamento energetico è la centrale ibrida della Regio Energie Solothurn. In zona Aarmatt del Comune solettese di Zuchwil si incontrano le reti di distribuzione elettrica, del gas e del teleriscaldamento. La Regio Energie Solothurn sfrutta questa situazione per un nuovo sistema energetico che raggruppa tutti e tre i vettori energetici.

L'elemento centrale dell'impianto è un elettrolizzatore, che trasforma in idrogeno l'elettricità in esubero prodotta con fonti rinnovabili e lo immette nella rete del gas. Combinando l'idrogeno con l'anidride carbonica (CO2) si forma metano, che a sua volta può essere immesso nella rete. La centrale ibrida di Aarmatt fa parte del Programma faro dell'Ufficio federale dell'energia ed è sostenuta dalla Confederazione.

In questo impianto, unico nel suo genere in Svizzera, la rete del gas svolge un ruolo centrale, perché dispone di un enorme potenziale per il trasporto e lo stoccaggio di grandi quantità di energia. Invece di staccare le centrali solari, eoliche o idrauliche dalla rete in caso di eccesso di offerta elettrica, grazie alla tecnologia Power to Gas è possibile trasformare l'elettricità in gas naturale sintetico da immagazzinare nella rete del gas.

Il gas è utilizzato come combustibile o carburante. È anche possibile procedere a una riconversione in elettricità, ciò che in determinati casi può risultare sensato. I singoli processi fanno capo a metodi sperimentati. Nuova è invece la loro combinazione in una soluzione completa e innovativa, che riunisce i diversi vettori energetici e le rispettive reti di distribuzione (energia integrata).

Presso la centrale ibrida è in corso una ricerca per sviluppare la tecnologia Power to Gas a un livello industriale. Questa ricerca si svolge nel quadro di Horizon 2020, il programma di incentivi dell'UE per la ricerca e l'innovazione, ed è incentrata sulla metanazione biologica dell'idrogeno. Con il progetto «STORE&GO», 27 partner provenienti da sei Paesi europei stanno sviluppando dei procedimenti di metanazione chimica presso due altri siti in Germania e in Italia.

Metano sintetico per veicoli a gas

Piattaforma dimostrativa «move» dell'Empa a Dübendorf

Nel 2015 l'Empa, il Laboratorio federale di prova dei materiali e di ricerca, ha inaugurato a Dübendorf un impianto di dimostrazione denominato «move» per il passaggio alle energie rinnovabili nell'ambito della mobilità. La prima fase del progetto si è conclusa con successo. Era incentrata su un impianto per la produzione di idrogeno e per il rifornimento di veicoli corrispondenti, tra cui un furgone alimentato con una miscela di gas naturale/biogas e idrogeno. Nel 2018 il progetto «move» è entrato nella fase successiva, ossia la trasformazione di idrogeno e CO2 in metano sintetico per alimentare veicoli a gas. Il metano sintetico viene prodotto con il procedimento Power to Gas. 

«move» dimostra in modo esemplare la possibilità di trasferire l'energia elettrica prodotta in esubero nel semestre estivo nella mobilità per essere utilizzata in sostituzione dei carburanti fossili. L'elettricità eccedente può essere immagazzinata in una batteria durante il giorno per caricare i veicoli elettrici durante la notte. Oppure utilizzata per la produzione di idrogeno, che viene compresso e utilizzato direttamente in veicoli a celle a combustibile tramite una stazione di rifornimento di idrogeno o miscelato al biogas per i veicoli a gas naturale. Il vantaggio: il metano di sintesi così ottenuto può essere immagazzinato nella rete esistente del gas naturale; non occorre perciò una nuova (e costosa) infrastruttura per ottenere una mobilità ecocompatibile.

Più biogas grazie a Power-to-gas

Impianto dimostrativo a Zurigo, PSI e Energie 360°

Il biogas grezzo prodotto a partire da biomassa contiene, oltre a metano biogeno, fino al 40 per cento di CO2. Prima di essere immesso nella rete, il biogas deve perciò essere trattato. Il CO2 contenuto nel biogas grezzo può comunque essere utilizzato anche con l'ausilio della tecnologia Power to Gas.

Nell'impianto a biogas Werdhölzli di Zurigo, l'Istituto Paul Scherrer (PSI) ed Energie 360° hanno dimostrato con un progetto congiunto come è possibile aumentare sensibilmente la produzione di biogas immissibile nella rete di distribuzione. In un impianto di trattamento del gas, il CO2 non viene separato, bensì trasformato in metano con l'aggiunta di idrogeno. L'idrogeno è prodotto da elettricità rinnovabile mediante la tecnologia Power to Gas. In un reattore a letto fluidizzato di nuova concezione, l'idrogeno e le particelle di CO2 vengono fatti reagire con l'ausilio di un catalizzatore e trasformati in metano. Questo consente di utilizzare non solo il metano già contenuto nel biogas grezzo, ma anche il metano aggiuntivo che si è formato a partire da CO2 e da idrogeno rinnovabile.

Il progetto pilota ha dimostrato che, grazie alla tecnologia Power to Gas, l'attuale produzione di biogas può essere aumentata del 60 per cento. In altre parole: se gli impianti svizzeri di depurazione e di fermentazione esistenti, che già producono biogas e lo immettono nella rete, venissero dotati di un simile reattore, la quantità di biogas potrebbe essere quintuplicata.

Proggetti di stoccaggio per energie rinnovabili

Piattaforma ESI, Istituto Paul Scherrer

L'Istituto Paul Scherrer (PSI) sta testando a Villigen (AG) diverse varianti del concetto Power to Gas. A tale scopo è stata messa in funzione nel 2016 la cosiddetta piattaforma ESI (Energy System Integration). Con questo strumento si intende illustrare la configurazione dei progetti di stoccaggio per consentire in futuro l'approvvigionamento decentralizzato con energie rinnovabili.

La piattaforma è incentrata sulla tecnologia Power to Gas. L'elettricità in eccesso, che sovraccaricherebbe le reti, è utilizzata per produrre idrogeno. Quest'ultimo può essere impiegato direttamente oppure servire per la produzione di metano (gas naturale sintetico). L'elettricità viene dunque trasformata in gas energetici. L'idrogeno e il metano hanno il vantaggio di poter essere stoccati a lungo termine e trasportati a grandi distanze. All'occorrenza vengono di nuovo trasformati in elettricità o calore. I gas possono anche essere sfruttati come carburante per veicoli o come materia prima per l'industria.

I singoli componenti della tecnologia Power to Gas sono da molti anni oggetto di ricerca presso il PSI. La piattaforma ESI si prefigge di analizzare per la prima volta nel loro complesso tutti i componenti finora studiati singolarmente. Essa prevede la simulazione delle più disparate varianti del concetto Power to Gas con l'intento di stabilire quali di queste varianti consentono uno sfruttamento energetico particolarmente efficiente. La piattaforma ESI ha una potenza di 100 chilowatt. A lungo termine, l'obiettivo è sviluppare impianti in grado di stoccare elettricità nell'ordine dei megawatt.