Calore ed elettricità dall’idrogeno di scarto

Lo sviluppo di un'economia globale dell'idrogeno è un tema centrale nella politica energetica internazionale da anni. Nonostante l'attenzione sia spesso rivolta all'idrogeno verde e alla creazione delle capacità necessarie per produrlo, esiste un grande potenziale in altre aree che merita di essere esplorato. Una di queste è l'uso dell'idrogeno di scarto proveniente dall'industria dei semiconduttori per generare elettricità e calore in modo efficiente attraverso sistemi di cogenerazione.

Il ruolo cruciale dei semiconduttori

Nella società tecnologica odierna, i semiconduttori sono diventati indispensabili nella vita quotidiana. Che si tratti di computer, smartphone, automobili o apparecchiature mediche, i semiconduttori sono componenti essenziali. Con oltre il 60% della quota di mercato globale, Taiwan è il centro mondiale dell'industria dei semiconduttori e per questo motivo è sempre al centro dell'attenzione. Anche in Taiwan, grande importanza viene data all'integrazione delle questioni di sostenibilità e protezione ambientale con la crescita economica.

La Semisils Applied Materials Corporation Ltd., con sede a Tainan, nel sud-ovest di Taiwan, ha deciso di affrontare questa sfida. L'azienda raccoglie i residui della produzione di semiconduttori da varie aziende in tutta Taiwan, li ricicla e fornisce materie prime per altre industrie.

Obiettivo: economia circolare

Con l’aumento delle normative globali sulla protezione ambientale e climatica e una maggiore consapevolezza delle risorse naturali limitate, cresce ovunque la domanda di materiali riciclabili e di un'economia circolare nell'industria. Il concetto di "Zero Waste Plant" è in auge da anni e sta esercitando una notevole pressione sulle aziende. Nell'industria dei semiconduttori, la questione principale è: come possono essere riciclati o riutilizzati i materiali residui? Uno dei principali rifiuti della produzione di semiconduttori è il silicio, che si genera quando i chip grezzi e rotondi vengono sagomati in forme rettangolari. In passato, il materiale di scarto del taglio e della punzonatura veniva spesso incenerito senza essere riutilizzato. È qui che entra in gioco il modello di business di Semisils.

Semisils ha sviluppato un processo brevettato e segreto per riciclare i residui di silicio, compiendo un significativo passo avanti verso l'economia circolare. In questo processo, la "melma di silicio", una miscela di silicio e acqua, viene trattata in modo da poter riutilizzare i materiali risultanti come materie prime in varie industrie. Ad esempio, si possono produrre resine epossidiche e materiali chimici per la fabbricazione di scarpe antinfortunistiche. Uno dei sottoprodotti di questo processo di riciclaggio è l'idrogeno, che viene utilizzato per generare elettricità e calore in modo efficiente.

Utilizzo dell’idrogeno per l’approvvigionamento energetico

Dalla sua fondazione nel 2013, Semisils si è impegnata a trovare il modo migliore per utilizzare l'idrogeno generato dal riciclaggio del silicio, soprattutto per il proprio fabbisogno energetico. Per promuovere l'uso dell'idrogeno, è stata creata la Taiwan Green Hydrogen Corporation, una filiale al 100% di Semisils. Inizialmente, l'azienda ha utilizzato una cella a combustibile PEM, diffusa in molte applicazioni, specialmente in Asia. Tuttavia, si è presto scoperto che l'idrogeno ottenuto dal processo di riciclaggio, con una purezza del 98-99%, era troppo impuro per un funzionamento continuo della cella a combustibile. Inoltre, diversi test hanno evidenziato che la cella a combustibile PEM si deteriorava dopo pochi mesi, rendendo l'applicazione inefficace nel lungo termine.

L'idea di utilizzare l'idrogeno per il fabbisogno energetico è stata quindi accantonata fino al 2021. In quell'anno, Semisils ha incontrato AM-Power Inc., specializzata in soluzioni energetiche decentralizzate per applicazioni industriali. Un concetto chiave proposto è stato l'uso di sistemi di cogenerazione per generare elettricità e calore in modo efficiente con combustibili molecolari. Quando le due aziende si sono incontrate, è stata considerata l'idea di convertire l'idrogeno in energia elettrica o termica utilizzabile con un motore a gas anziché con una cella a combustibile.

La svolta è arrivata con la collaborazione di AM-Power con il produttore tedesco di sistemi di cogenerazione 2G. Dal 2018, 2G aveva già avviato la produzione in serie di impianti di cogenerazione alimentati a idrogeno, realizzando oltre 30 progetti in tutto il mondo. Il produttore, originariamente proveniente dal settore del biogas, ha dimostrato la sua competenza nella conversione di gas di varie fonti in elettricità e calore sin dalla sua fondazione nel 1995.

Vantaggi tecnologici dei sistemi di cogenerazione a motore nell’uso dell’idrogeno di scarto

Tradizionalmente, i tentativi di utilizzare l'idrogeno a fini energetici si sono basati sull'uso delle celle a combustibile, che però hanno mostrato problemi legati alla purezza dell'idrogeno. A causa della contaminazione della membrana, l'efficienza delle celle a combustibile diminuiva rapidamente, portando a frequenti guasti del sistema. In confronto, questo problema non si presenta con un motore a idrogeno, che utilizza un concetto tecnico di iniezione diretta nella camera di combustione.

Frank Grewe, CTO di 2G, sottolinea la robustezza dei motori: "Le nostre radici sono nell'industria del biogas, che, soprattutto agli inizi, non era solitamente associata a gas puri. Di conseguenza, il nostro lavoro di sviluppo è sempre stato caratterizzato dalla gestione di gas impuri e dall'adattamento dei motori, oltre alla fornitura di componenti periferici adeguati."

Grewe aggiunge che l'uso dell'idrogeno, sia puro che impuro, non rappresenta alcun problema tecnico per la tecnologia del motore: "Anche se l'idrogeno presenta sfide tecniche, come la minore densità energetica e la maggiore infiammabilità, alla fine è solo una molecola tra molte che può essere utilizzata nel motore con un adeguato sviluppo."

Installazione rapida grazie a un concetto standardizzato

Oltre alla risoluzione del problema, l'offerta complessiva di AM-Power e 2G è risultata convincente per un altro motivo: la consegna chiavi in mano in un container su misura. Sia il motore che l'impianto idraulico, oltre all'unità di controllo completa, sono alloggiati insieme in un unico container, così che l'installazione in loco a luglio 2023 è stata completata in pochissimo tempo. Questo è stato un grande vantaggio per il cliente, spiega Lee: "L'installazione in loco ha richiesto solo una settimana e mezzo, minimizzando le interruzioni delle operazioni e mantenendo i costi per tutte le parti coinvolte eccezionalmente bassi."

Questo approccio è stato reso possibile soprattutto grazie al concetto di standardizzazione, che 2G promuove nella costruzione degli impianti da molti anni. Grewe sottolinea la strategia di internazionalizzazione che 2G intende perseguire: "Sviluppare motori a idrogeno è una cosa, ma integrarli in modo ottimale nelle infrastrutture degli operatori è un’altra. Le nostre soluzioni container standardizzate rendono possibile l’implementazione di tali progetti ovunque."

Il sistema di cogenerazione è stato progettato per funzionare a pieno carico, con circa il 10-20% dell’energia elettrica generata consumata direttamente e il resto immesso nella rete pubblica. Il calore generato può essere utilizzato nei capannoni di produzione per il processo di riciclaggio. Dopo quasi un anno di operatività, Lee è molto soddisfatto: "Ammettiamo che siamo rimasti tutti sorpresi di quanto bene abbia funzionato il progetto. I prossimi progetti, compresa la cogenerazione a idrogeno, sono già in fase di pianificazione."

Il progetto è solo un'anteprima del potenziale esistente

Questo progetto ha fissato nuovi standard sia nella produzione di idrogeno che nel suo utilizzo come fonte di energia, dimostrando l'enorme potenziale dei motori a gas per il futuro. "Ci sono molti altri settori, come l'industria chimica o dei fertilizzanti, che stanno esplorando l'uso dell'idrogeno, sia di scarto che verde prodotto autonomamente. Soprattutto in tempi come questi, dove la domanda di idrogeno è in aumento ma le quantità disponibili scarseggiano, il nostro concetto offre una soluzione che potrebbe risolvere molte sfide in tutto il mondo." In questo contesto, Lee guarda al futuro dell'industria fotovoltaica: "Siamo tutti entusiasti del massiccio aumento nell'installazione di nuovi sistemi fotovoltaici e di auto elettriche. Tuttavia, anche questo settore genererà molti scarti di silicio nei prossimi decenni che dovranno essere riciclati. Il nostro progetto potrebbe diventare un modello per conciliare economia circolare e sicurezza dell'approvvigionamento energetico."

Frank Grewe, CTO di 2G, conclude che il focus sull'idrogeno come risultato delle discussioni globali è una scelta logica: "Come produttori di sistemi di cogenerazione, è quasi obbligatorio occuparci dell'idrogeno. Guardando indietro, siamo felici di aver iniziato il nostro sviluppo quasi 15 anni fa e di aver raggiunto ora la produzione in serie. Progetti come quello di Taiwan sono un ottimo modo per trasferire gradualmente lo sviluppo nella pratica commerciale. Inoltre, questi tipi di progetti motivano molto il nostro team, poiché si allineano con le tendenze di sviluppo attuali."