Sebbene l’interesse globale per l’idrogeno prodotto da energia rinnovabile possa sembrare relativamente recente, gli sforzi per stabilire un ruolo per l’idrogeno nei sistemi energetici sono stati avviati in diversi paesi dagli anni ’70. Il Giappone ha esplorato in modo prominente la produzione di idrogeno dal 1974, quando ha istituito il “Progetto Sole”, e la ricerca e lo sviluppo della tecnologia delle celle a combustibile dal 1978 nell’ambito del “Progetto Moonlight”. Tuttavia, il paese non ha adottato una strategia formale per l’idrogeno fino al 2014, quando ha dichiarato nel suo quarto piano energetico di base che, grazie ai progressi tecnologici, “ora è il momento di condurre una deliberazione globale su una ‘società dell’idrogeno‘, che utilizza l’idrogeno come energia”.
Il piano del governo del 2014, emesso tre anni dopo il disastro di Fukushima Daiichi, ha risposto al suo sconvolto settore energetico, comprese le utility colpite da forti perdite a causa delle importazioni record di combustibili fossili e dell’incertezza relativa al riavvio dei reattori. Il piano prevedeva che l’idrogeno avrebbe svolto un ruolo “centrale” nel futuro dell’elettricità e del calore. Ma per introdurre l’idrogeno come fonte di carburante e alla fine introdurlo nella vita quotidiana e nelle attività industriali, il governo dovrebbe guidare una serie di sforzi nella ricerca, afferma il piano.
A seguito del 4° Piano energetico di base, il Ministero dell’Economia, del Commercio e dell’Industria (METI) del Giappone ha istituito un consiglio composto da industria, università e governo per discutere gli approcci ideali per l’utilizzo futuro dell’energia a idrogeno. L’agenzia ha quindi lanciato rapidamente una tabella di marcia per promuovere l’introduzione di celle a combustibile stazionarie e la generazione di energia a idrogeno. La tabella di marcia prevedeva un ruolo mastodontico per la New Energy and Industrial Technology Development Organization (NEDO), l’agenzia nazionale di ricerca e sviluppo del Giappone, per promuovere lo sviluppo del power-to-gas (P2G) e dei processi associati, come la generazione di energia a idrogeno e la produzione di idrogeno attraverso elettrolisi dell’acqua.
Fukushima Hydrogen Energy Research Field
NEDO si è intensificata rapidamente, dando il via allo sviluppo di una capacità di produzione di idrogeno su piccola scala di circa 5-30 metri cubi normali all’ora (Nm 3/h) nel 2014. Man mano che lo sforzo prendeva piede, aumentava anche l’interesse delle utility. Nel 2016, Toshiba Energy Systems & Solutions Corp. ha presentato il “Fukushima Hydrogen Energy Research Field” (FH2R), un importante progetto che stava sviluppando in collaborazione con l’utility Tohoku Electric Power Co. Inc. e la principale azienda di gas ed energia Iwatani Corp.
Sostenuto dal quinto piano energetico di base del governo, che mirava alla tecnologia P2G per lo stoccaggio e l’utilizzo dell’energia a idrogeno, FH2R ha acquisito un significato specifico come progetto nazionale. La costruzione del progetto è iniziata subito dopo nella città di Namie, nella prefettura di Fukushima, nel luglio 2018, ed entro marzo 2020 la costruzione è stata dichiarata completa.
Negli ultimi due anni, FH2R è stato costantemente classificato come uno dei più grandi progetti al mondo nel suo genere. Secondo i partecipanti al progetto, FH2R utilizza un pannello solare fotovoltaico da 20 MW costruito su un sito di 180.000 metri quadrati insieme all’elettricità di rete per alimentare un elettrolizzatore di classe 10 MW a stack singolo. I suoi sviluppatori affermano che può produrre, immagazzinare e fornire fino a 1.200 Nm 3 /ora di idrogeno a potenza nominale.
L’elettrolisi dell’acqua
Il sistema di elettrolisi dell’acqua alcalina della struttura è stato progettato e costruito da una filiale di Asahi Kasei, una multinazionale chimica giapponese fondata nel 1931. Asahi Kasei Engineering ha dichiarato di aver ricevuto l’ordine per il suo sistema di elettrolisi Aqualyzer da Toshiba nel 2017. L’elettrolizzatore utilizza l’elettrolisi a membrana cloro-alcali, che è un processo industriale consolidato attraverso il quale vengono prodotti contemporaneamente cloro, soda caustica e idrogeno, utilizzando salamoia ed elettricità . “Dopo la sua installazione nel novembre 2019, sono state eseguite diverse operazioni di prova del sistema per confermare che l’idrogeno prodotto soddisfaceva gli standard di qualità richiesti, con operazioni di fornitura di idrogeno a partire da marzo [2020]”, ha affermato Asahi Kasei. I partecipanti al progetto hanno anche testato le prestazioni del sistema in risposta alle fluttuazioni di alimentazione.
Toshiba gestisce il progetto
Toshiba, che è stato il principale fornitore di ingegneria, approvvigionamento e costruzione del progetto, è oggi responsabile della gestione del progetto, nonché dell’intero sistema energetico a idrogeno. Tohoku Electric gestisce il sistema di controllo della rete elettrica e Iwatani gestisce lo stoccaggio, la fornitura di idrogeno e il sistema di previsione della domanda e dell’offerta di idrogeno.
Secondo Toshiba, il sistema ha funzionato principalmente come previsto. “Il sistema FH2R gestisce la produzione e lo stoccaggio di idrogeno in base alle previsioni della domanda formulate dal sistema di previsione della domanda e dell’offerta di idrogeno e regola la quantità di idrogeno prodotta dall’unità di produzione di idrogeno per mantenere in equilibrio domanda e offerta nella rete elettrica”, ha detto. Alla luce delle recenti riforme del mercato elettrico, nel frattempo, i partecipanti al progetto lo scorso anno hanno aggiunto una funzione per “fornire un controllo appropriato nel caso di un flusso di energia inversa nel sistema solare fotovoltaico nell’ambito della nostra ricerca volta a migliorare l’utilizzo del sistema energetico a idrogeno come mezzo di bilanciamento tra domanda e offerta di energia elettrica”.
Questo aspetto sarà necessario per due degli obiettivi più cruciali del progetto: stabilire modelli di business per l’utilizzo dell’idrogeno e la vendita di idrogeno “al fine di realizzare una produzione di idrogeno basata sulla domanda”, ha affermato NEDO. Entrambi gli obiettivi sono già stati testati e verificati in un’ampia gamma di programmi guidati dai leader di Namie.
La visione eccezionale di Namie
Duramente colpita dal grande terremoto di Tohuku del 2011 e dal disastro di Fukushima Daiichi, Namie ha intrapreso uno sforzo di ricostruzione visionario. Nel novembre 2020, ha annunciato il suo pieno sostegno all'”esperimento su larga scala” FH2R per creare una società alimentata a idrogeno. Il governo municipale si è impegnato a utilizzare l’energia dell’idrogeno nel commercio, nell’agricoltura, nei trasporti e nell’istruzione. Alcuni esempi di programmi includono una stazione lungo la strada aperta nel 2020 che utilizza l’idrogeno prodotto a FH2R. Una cella a combustibile Toshiba a “idrogeno puro” da 3,5 kW installata presso la stazione lungo la strada fornisce una parte dell’energia elettrica e del calore utilizzati dalla struttura. La città sta anche sviluppando un’area industriale che consumerà energia rinnovabile e idrogeno verde alimentato da gasdotti, presumibilmente da FH2R.
Parte di questo sforzo comporta uno studio per capire se “è possibile realizzare fabbriche a emissioni zero attraverso l’introduzione di generatori di idrogeno e celle a combustibile a idrogeno puro all’interno e all’esterno delle fabbriche, e attraverso un trasporto efficiente e l’uso di idrogeno pulito”. Altre iniziative includono l’introduzione di un modello di auto alimentato a idrogeno, una catena di fornitura di idrogeno “a basso costo” di celle a combustibile mobili dotate di rack che potrebbero fornire calore ed elettricità alle strutture pubbliche di Namie. Altri progetti includono un test di verifica di un gasdotto montato su palo, uno studio per esplorare la fattibilità dell’installazione di celle a combustibile “idrogeno puro” in abitazioni e strutture commerciali.
Un grande passo per la ricerca e lo sviluppo dell’idrogeno
NEDO generalmente saluta FH2R come un grande passo per l’idrogeno. Tuttavia, l’agenzia di ricerca sta ora pianificando un potenziamento del sistema di elettrolisi alcalino (così come un sistema a membrana a scambio protonico [PEM] da 1,5 MW che è allo studio nella prefettura di Yamanashi). Questi sforzi saranno potenziati con un investimento pianificato fornito dal governo di oltre 3 miliardi di dollari nei prossimi 10 anni, ha affermato a marzo Eiji Ohira, direttore generale del Fuel Cell and Hydrogen Group di NEDO.
NEDO nell’agosto 2021 ha accettato un progetto guidato da Asahi Kasei e JGC Holdings Corp. per dimostrare congiuntamente un sistema di elettrolisi dell’acqua alcalina su una scala fino a 100 MW e un impianto chimico verde che utilizza idrogeno da energia rinnovabile. “La dimostrazione e la commercializzazione del grande sistema di elettrolisi dell’acqua alcalina su scala MW a 2 cifre utilizzerà il feedback di FH2R negli sviluppi tecnologici costitutivi insieme alla tecnologia dei moduli per l’installazione parallela di elettrolizzatori per soddisfare le esigenze del mercato dal punto di vista della sicurezza, durata, prestazioni, e costo”, ha detto Asahi Kasei. Asahi Kasei e JGC hanno anche in programma di sviluppare congiuntamente un sistema di controllo integrato per l’impianto di chimica verde per controllare meglio la quantità di fornitura di idrogeno e ottimizzare il funzionamento dell’impianto nel processo fornito dalla carica di idrogeno proveniente da energia rinnovabile fluttuante.
