DEMOSOFC: produrre energia ad alta efficienza e zero emissioni attraverso l’uso di celle a combustibile

DEMOSOFC è il primo impianto di taglia industriale in Europa che, sfruttando la tecnologia delle celle a combustibile ad ossidi solidi (Solid Oxide Fuel Cell – SOFC), alimentate dal biogas generato dai fanghi del processo di depurazione delle acque, è in grado di ottenere energia elettrica e termica ad alta efficienza e ridurre al minimo le emissioni inquinanti (NOx, SOx, PM) in atmosfera. 

L’impianto è installato all’interno del depuratore SMAT di Collegno, nella prima cintura torinese, il quale tratta gli scarichi, civili ed industriali, dei comuni circostanti, Collegno, Grugliasco, Rivoli e Villarbasse con una potenzialità di 180.000 abitanti equivalenti.  

Nato da un progetto finanziato dall’Unione Europea nell’ambito del Programma Horizon 2020, coordinato dal Politecnico di Torino (Dipartimento di Energia – prof. Massimo Santarelli, Dr. Marta Gandiglio) e realizzato attraverso la tecnologia dell’azienda finlandese Convion Oy e la collaborazione dell’Imperial College di Londra e del centro di ricerca finlandese VTT, DEMOSOFC è un impianto all’avanguardia, capace di coprire il 30% del fabbisogno energetico dell’impianto, riutilizzando i fanghi prodotti dal processo di depurazione. 

L’impianto DEMOSOFC, costituito da 2 moduli SOFC con una potenza nominale di 100 kW elettrici, è in funzione da Ottobre 2017 e ha raggiunto oltre 13’000 ore di operazione. Esso è costituito da tre macro-sezioni:

• Il sistema di trattamento e purificazione del biogas dove, dal biogas prodotto attraverso la digestione anaerobica dei fanghi di depurazione, vengono rimossi i micro-contaminanti (composti dello zolfo e del silicio) dannosi per il sistema con celle a combustibile. Tale processo avviene attraverso un sistema di adsorbimento con carboni attivi.
• I 2 moduli con celle a combustibile SOFC, in grado di produrre 100 kW elettrici con altissima efficienza e zero emissioni.
• Il sistema di recupero termico, in grado di recuperare calore dai fumi caldi (circa 200 °C) in uscita dai moduli SOFC. Tale calore viene poi utilizzato per il preriscaldamento dei fanghi in ingresso al digestore anaerobico.

Al fine di verificarne i vantaggi energetici ed ambientali, nella primavera 2020, il Politecnico di Torino ed il centro di ricerca finlandese VTT, hanno analizzato i dati del funzionamento del sistema.

In due anni e mezzo, l’impianto ha superato le tredicimila ore di attività per i due moduli attualmente installati. La potenza media prodotta nell’arco del periodo analizzato è stata di 40 kW elettrici. Se pensiamo che il contatore di un’abitazione residenziale standard ha una potenza massima di 3 kW, allora la potenza media prodotta è stata pari a quella di oltre “13 utenze”.

La produzione elettrica totale che è stata interamente auto-consumata dal depuratore è invece pari ad oltre 450 MWh di energia, che corrispondono al consumo annuo di 114 famiglie medie composte da 4 persone. Tale produzione elettrica ha consentito un risparmio economico superiore ai 60’000 € (energia auto-consumata dal depuratore e quindi non acquistata dalla rete), mentre il recupero di calore dai fumi ha generato un risparmio di circa 18’000 € (espresso come gas naturale non acquistato dalla rete). Gli impianti di depurazione delle acque sono realtà molto energivore con altissimi consumi elettrici necessari per il processo di depurazione degli scarichi, e quindi tutta l’energia prodotta in-situ e non acquistata dalla rete è un importante risparmio per l’azienda SMAT.

L’efficienza elettrica dei moduli SOFC è sempre stata superiore al 50%, con picchi intorno al 56%. Se pensiamo ai tradizionali motori a combustione interna utilizzati per la cogenerazione da biogas, l’efficienza elettrica è nel range 30-40%, con valori vicini al 30% per impianti di piccola-media taglia come il depuratore di Collegno. Si ha quindi un guadagno di efficienza superiore al 20%, che si traduce in una maggiore produzione di energia a parità di combustibile disponibile in ingresso.

Le emissioni dal sistema SOFC sono state misurate in campo ad Ottobre 2017 e ad Ottobre 2020. Tutti i valori misurati, in termini di NOx, SOx e particolati, erano inferiori ai limiti di detectabilità degli strumenti utilizzati. Inoltre, il valore di particolato (PM) misurato all’uscita del camino è inferiore a quello dell’aria circostante: questo perché il sistema SOFC filtra l’aria ambiente in ingresso al sistema e non produce particolati al suo interno. La tecnologia SOFC produce infatti energia tramite un processo elettrochimico, in assenza di combustione e quindi in assenza dei prodotti (nocivi) della combustione, che tradizionalmente avviene invece in un motore.

Per quanto riguarda l’impatto ambientale, la riduzione di emissioni del sistema SOFC (in termini di NOx) rispetto ai motori a combustione interna è superiore all’87%. Quindi, considerando l’intero periodo operativo dell’impianto DEMOSOFC fino a gennaio 2020, il sistema SOFC ha consentito di evitare l’emissione di circa 565 kg di NOx, pari alla quantità di emissioni annue di circa 327 auto utilitarie di piccola taglia e di evitare l’emissione di 34 tonnellate di CO₂, pari alle emissioni annue di circa 17 auto utilitarie.

Se i numeri relativi all’operazione dell’impianto DEMOSOFC sono interessanti, ancor di più lo sono le proiezioni in ottica di replicabilità del concept. Se l’impianto DEMOSOFC avesse lavorato – negli stessi 2 anni di analisi sopra analizzati – il 95% del tempo con una produzione elettrica costante di 150 kW e un’efficienza elettrica del 55%, la produzione di elettricità sarebbe stata 2.7 MWh, pari al consumo di 681 famiglie. Le emissioni di NOx sarebbero state pari a 3.3 tonnellate, equivalenti a quelle di 2’170 auto utilitarie, ed il risparmio relativo all’energia elettrica non acquistata sarebbe di oltre 160’000 € l’anno. 

In merito al settore della depurazione, il Politecnico di Torino e l’Imperial College di Londra hanno condotto uno studio volto a valutare le potenzialità, in termini di produzione di biogas e di potenza elettrica installabile con sistemi SOFC. L’analisi ha riguardato i depuratori con una capacità superiore ai 20’000 abitanti equivalenti (pari a circa 45 kW elettrici installati, così da escludere gli impianti di taglia ridotta), e la potenzialità in termini di produzione di biogas risulta essere nel range 1.9-5.4 miliardi di metri cubi l’anno (range legato alla resa dei fanghi in biogas, fortemente dipendente dai pretrattamenti e dal processo utilizzato). Se questo biogas fosse convertito con sistemi cogenerativi di tipo SOFC, la potenziale produzione elettrica risultante sarebbe nel range 930-2550 MW. La figura sottostante mostra la divisione di questo potenziale all’interno delle diverse classi di impianto (XS-XL), dai più piccoli ai più grandi: è possibile osservare come il numero di piccoli impianti interessati è molto elevato (immagine a sinistra), ed eguaglia – in potenza elettrica – gli impianti di grandi dimensioni (immagine a destra).

Questi numeri dimostrano le elevate potenzialità dei sistemi cogenerativi basati su tecnologia SOFC, le quali trovano un elevato potenziale di replicabilità in altri impianti di depurazione delle acque ma non solo, anche in ambito agricolo e di gestione dei rifiuti, dove il biogas viene tradizionalmente prodotto.