La prima cella a combustibile al mondo alimentata ad ammoniaca ad alta temperatura per la spedizione

La prima cella a combustibile alimentata ad ammoniaca ad alta temperatura per la spedizione
La nave della compagnia di navigazione Eidesvik檚, la Viking Energy, sarà la prima nave al mondo ad essere dotata di una cella a combustibile a base di ammoniaca. Attestazione: Eidesvik

Ogni anno centinaia di milioni di tonnellate di CO2 sono emessi attraverso il trasporto marittimo, causando gravi danni al clima. Mentre gli scienziati di tutto il mondo testano nuovi metodi di propulsione in grado di sostituire l’olio combustibile nelle navi, i ricercatori di Fraunhofer stanno lavorando come parte di un consorzio internazionale per sviluppare celle a combustibile a base di ammoniaca. Quando viene utilizzata come carburante per navi con motori elettrici, l’ammoniaca è ecologica come l’idrogeno, ma più facile e sicura da maneggiare.

Attualmente, l’idrogeno è l’obiettivo primario nell’area dell’energia sostenibile: ci sono piani in atto per utilizzare l’idrogeno per alimentare autobus, veicoli commerciali e persino automobili. Tuttavia, l’Istituto Fraunhofer per la microingegneria ei microsistemi IMM di Magonza sta lavorando a un’altra possibilità promettente. Nell’ambito del progetto ShipFC, il Fraunhofer Institute sta collaborando con 13 partner del consorzio europeo per sviluppare la prima cella a combustibile al mondo a base di ammoniaca per la navigazione. I ricercatori di Fraunhofer sono responsabili dello sviluppo del convertitore catalitico, che impedisce la produzione di emissioni che danneggerebbero il clima.

Il trasporto marittimo è uno dei principali responsabili delle emissioni di gas serra. Secondo le informazioni fornite dall’Agenzia tedesca per l’ambiente (UBA), il trasporto marittimo sugli oceani del mondo è attualmente responsabile di circa il 2,6% della CO globale2 emissioni. Nel 2015 circa 932 milioni di tonnellate di CO2 sono stati emessi, e tale cifra aumenta ogni anno. Chiaramente, sono urgentemente necessarie contromisure.

Il progetto ShipFC ha lo scopo di dimostrare che la nuova tecnologia di propulsione a emissioni zero funziona in modo sicuro, affidabile e senza intoppi, anche su grandi navi e su lunghi viaggi. Il progetto è coordinato da NCE Maritime Cleantech dalla Norvegia, un’organizzazione che mira a sviluppare tecnologie ecocompatibili nel settore marittimo.

I vantaggi dell’ammoniaca

L’ammoniaca è nota principalmente per il suo uso come fertilizzante nel settore agricolo. Tuttavia, può anche funzionare come vettore energetico di alta qualità. Il prof. Gunther Kolb, direttore della divisione energia e vice direttore dell’istituto presso l’IMM, spiega: “L’ammoniaca presenta vantaggi significativi rispetto all’idrogeno. L’idrogeno deve essere immagazzinato a -253 gradi Celsius come liquido, o a pressioni di circa 700 bar come un gas. L’ammoniaca liquida può essere conservata a una temperatura ragionevole di -33 gradi Celsius a pressione standard e +20 gradi Celsius a 9 bar. Ciò rende lo stoccaggio e il trasporto di questo vettore energetico notevolmente più semplice e diretto”.

La prima cella a combustibile alimentata ad ammoniaca ad alta temperatura per la spedizione
L’ammoniaca viene scissa in azoto e idrogeno nel cracker dell’ammoniaca. Quest’ultimo viene poi bruciato nella cella a combustibile per generare elettricità. Il convertitore catalitico assicura che non vengano prodotti ossidi di azoto dannosi. Gli unici prodotti finali sono acqua e azoto. Attestazione: Fraunhofer

Come funzionano la cella a combustibile e il convertitore catalitico

Il processo per generare elettricità dall’ammoniaca funziona in modo simile alle centrali elettriche a base di idrogeno. Primo, ammoniaca (NH3) viene immesso in un reattore a fissione, dove viene scisso in azoto (N2) e idrogeno (H2). Il 75% del gas è costituito da idrogeno. Una piccola quantità di ammoniaca (NH3, 100 ppm) non viene convertito e rimane nel flusso di gas.

In secondo luogo, l’azoto e l’idrogeno vengono immessi nella cella a combustibile e viene introdotta l’aria, consentendo all’idrogeno di bruciare e formare acqua. Questo produce energia elettrica. Tuttavia, l’idrogeno non è completamente convertito nella cella a combustibile. Circa il 12% dell’idrogeno e dell’ammoniaca residua lasciano la cella a combustibile incombusta. Questo residuo viene quindi alimentato nel convertitore catalitico sviluppato da Fraunhofer IMM. Qui viene introdotta aria e il residuo entra in contatto con una lamina metallica ondulata rivestita con uno strato in polvere di particelle catalitiche che contengono platino. Questo innesca una reazione chimica. Alla fine, gli unici prodotti finali sono acqua e azoto. Un processo di reazione ottimale non produrrà nemmeno ossidi di azoto dannosi per l’ambiente.

Il team di ricerca dell’IMM sta anche sviluppando il reattore che contiene il catalizzatore, che funziona in modo passivo. Il reattore controlla la temperatura e il flusso di gas. Ad esempio, preriscalda il catalizzatore prima ancora che i motori vengano avviati, poiché è meno efficiente a freddo. “La temperatura dei gas che fluiscono attraverso il convertitore catalitico dovrebbe essere probabilmente di circa 500 gradi Celsius affinché il processo di purificazione dei gas di scarico sia il più efficiente possibile”, spiega Kolb.

I ricercatori del Fraunhofer IMM hanno decenni di esperienza nello sviluppo di reattori, inclusi catalizzatori, per un’ampia varietà di applicazioni nel settore dei trasporti e della mobilità. L’istituto con sede a Mainz dispone di nove banchi di prova, ma la purificazione dei gas di scarico dalle celle a combustibile ad ammoniaca con una capacità di 2 megawatt è ancora una sfida tecnologica. “Dobbiamo sviluppare ulteriormente la nostra attuale tecnologia delle celle a combustibile alimentata ad ammoniaca e il convertitore catalitico per una nave è ovviamente molto più grande di quello di un’auto normale”, afferma Kolb.

La prima cella a combustibile alimentata ad ammoniaca ad alta temperatura per la spedizione
Banco di prova del convertitore catalitico: viene utilizzato per testare tutte le funzioni di un convertitore catalitico, nonché la sua efficienza nella purificazione dei gas di scarico. Fraunhofer IMM ha un totale di nove banchi di prova. Attestazione: Fraunhofer

Lo stato del progetto

Il team IMM prevede di completare un piccolo prototipo iniziale entro la fine del 2021, a cui farà seguito un prototipo di dimensioni reali entro la fine del 2022. Nella seconda metà del 2023, la prima nave con una cella a combustibile alimentata ad ammoniaca metterà in mare la Viking Energy, una nave da rifornimento di proprietà della compagnia di navigazione norvegese Eidesvik. Successivamente, altri tipi di navi, come le navi mercantili, saranno dotate di celle a combustibile alimentate ad ammoniaca.

Il potenziale dell’ammoniaca per il futuro

L’ammoniaca è fornita da YARA, partner del consorzio ShipFC. L’azienda chimica attualmente produce un terzo dell’ammoniaca utilizzata nel mondo. Il progetto ShipFC utilizza l’ammoniaca “verde”, ovvero l’ammoniaca prodotta da fonti energetiche rinnovabili.

ShipFC sta aprendo importanti opportunità per un vettore energetico precedentemente sottovalutato. Il ricercatore di IMM Gunther Kolb spiega: “Vediamo l’ammoniaca non come un diretto concorrente dell’idrogeno, ma piuttosto come un’opzione aggiuntiva nell’area dell’energia sostenibile. Con i suoi vantaggi di stoccaggio, questa tecnologia ecologica per la generazione di energia ha sicuramente un ruolo da svolgere. Usarlo sulle navi è solo l’inizio”.

Il potenziale dell’ammoniaca è stato riconosciuto anche a livello politico, con l’Unione Europea che ha fornito 10 milioni di euro di sostegno finanziario al progetto ShipFC.


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