01. MONOGRAPHIE THÉMATHIQUE / 01. MONOGRAFIA TEMATICA

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1 01. MONOGRAPHIE THÉMATHIQUE / 01. MONOGRAFIA TEMATICA Moteur et verrous du développement de l hydrogène énergie. Un secteur porteur en Rhône-Alpes et au Piémont Trend di sviluppo e potenzialità della filiera idrogeno. Un settore strategico per le relazioni tra Piemonte e Rhône-Alpes. Programme Alcotra Fonds européen de développement régionel Programma Alcotra Fondo europeo di sviluppo regionale

2 Ce document a été financé par le programme Interreg Alcotra Fonds européen de Développement régional. Questo documento è stato finanziato dal programma Interreg Alcotra Fondo europeo di sviluppo regionale Responsable et auteur / Responsabile e autore: Tenerrdis, Pierre Juliet Co-auteurs / Co-autori : Environment Park, Davide Damosso et Alexandra Robasto Traduction en langue italienne et révision / traduzione in lingua italiana e revisione : Elisa Giacoma Ropolo / Environment Park, Alexia Boulanger Le document est disponible en format électronique sur le site Il documento è disponibile in formato elettronico al sito 1 ère édition / 1 a edizione:

3 Introduction / Introduzione Ce document a été rédigé par Tenerrdis avec la collaboration de Environment Park avec le but de fournir au lecteur un aperçu sur la filière hydrogène énergie en reportant les tendances internationales de la technologie et l acquis règlementaire dans la matière. Une attention particulière a été consacrée à l illustration des principales expériences et initiatives qui ont été récemment lancées dans le contexte de programmes européens ou bien par les gouvernements nationaux et par les key players du monde industriel. A ce sujet, une importante contribution a été fournie par les travaux des Journées Collaboratives et Techniques sur l Hydrogène 2011 organisées par Tenerrdis en novembre dernier et qui font l objet d une section à part. La troisième partie de la monographie est au contraire dédiée à la présentation des réalités territoriales Rhône Alpes et Piémont avec la description de la chaine de la valeur présente dans les deux contextes et la présentation des entreprises et des centres de recherche qui en font partie. Les informations ont été complétés par des éléments issus entre autres de la feuille de route de l ADEME et du document «rapport sur l industrie des énergies» de la DGEC ainsi que la roadmap FCH JU et rapport Mc Kinsey 2011 «The role of Battery Electric Vehicles, Plug-in Hybrids and Fuel Cell Electric Vehicles». Questo documento è stato redatto da Tenerrdis con il supporto di Environment Park con lo scopo di fornire al lettore una panoramica sulla filiera idrogeno energia riportando le principali tendenze che in questo momento caratterizzano le tecnologie dell idrogeno e delle pile a combustibili e sull evoluzione normativa conseguente. Un attenzione particolare è stata dedicata alla descrizione delle esperienze recentemente lanciate sia nell ambito di progetti di dimostrazione europei che in programmi governativi nazionali e dai principali key players internazionali. A questo proposito, un importante contributo è fornito dai lavori delle Journées Collaboratives et Techniques sur l Hydrogène 2011 organizzate da Tenerrdis lo scorso novembre al quale è dedicata un intera sezione del documento. La terza parte della monografia si concentra invece sulle due realtà territoriali Piemonte e Rhône Alpes con la descrizione della filiera e dei principali attori imprese e centri di ricerca - che ne fanno parte. Le informazioni riportate nel presente documento sono frutto dell esperienza dei partner e sono state integrate e supportate da diversi documenti tra cui la Roadmap ADEME (Agenzia per l Ambiente e l Energia francese), il Rapporto sull Industria dell Energia della CE, la roadmap FCH JU e il rapporto Mc Kinsey 2011 «The role of Battery Electric Vehicles, Plug-in Hybrids and Fuel Cell Electric Vehicles».

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5 1. Contexte et enjeux Le mode de développement des sociétés est confronté aujourd hui à la triple problématique des crises énergétiques, climatiques et économiques. Des changements importants vont toucher la manière de consommer l énergie et de la produire et ceci se traduit par des engagements politiques significatifs : Au niveau mondial, le protocole de Kyoto qui fixe des objectifs d émission de GES. Au niveau européen, le paquet «climat énergie» et l objectif 20 % de réduction d émission de GES, 20 % d amélioration de l efficacité énergétique, 20 % de pénétration d ENR, le tout pour Parallèlement, l hydrogène et les piles à combustibles ont été identifiées comme des technologies clef au sein du SET-Plan (Strategic Energy Technology Plan) et les activités de recherche et de démonstration technologiques sont soutenues par la commission au travers du JTI H2PAC. Aux niveaux nationaux : - En France : La loi POPE (loi programme d orientation des politiques énergétiques) a introduit le principe du facteur 4 et les lois Grenelle I et Grenelle II font de la directive européenne 3x20 contre le réchauffement climatique, un enjeu prioritaire. Le grenelle est aligné sur la directive européenne 3x20 avec un objectif ENR plus ambitieux de 23 % - En Italie: les politiques énergétiques sont développées au niveau national (Plan Energétique National) et puis articulées au niveau régional avec des plans régionaux selon le principe du burden sharing etc. La stratégie Energétique Nationale est basée sur le Plan d Action pour l Efficacité Energétique (PAEE) et le Plan d Action National (PAN) pour les Energies Renouvelables à l horizon Dans ce contexte, l hydrogène est cité comme une des potentielles options technologiques mais seulement pour ce qui concerne l utilisation de bio-hydrogène ou d hydrogène produit à partir de sources renouvelables pour la traction. L utilisation de piles à combustible n est, quant à elle, pas prise en considération pour les applications stationnaires. Ce contexte politique et réglementaire doit être particulièrement pris en compte, car comme de nombreuses technologies émergentes, le développement de la filière hydrogène sera accéléré par le support public. De plus dans l hypothèse d une évolution profonde des données énergétiques nationales impliquant fortement cette filière, un soutien politique fort, visible et sur le long terme est absolument indispensable. 4

6 2. La filière hydrogène énergie Ce document traite des deux thématiques de l utilisation énergétique de l hydrogène et de la pile à combustible. Il aborde également le sujet de la production d hydrogène. L hydrogène a un fort potentiel énergétique et peut en conséquence être utilisé dans de nombreuses applications. Il doit être fabriqué à partir de différentes sources primaires puis transporté, stocké et distribué vers l utilisateur. Le terme de vecteur hydrogène ou d hydrogène énergie est employé quand l hydrogène est utilisé comme vecteur énergétique entre la source primaire et son utilisation finale. Cette dernière pouvant être de l électricité, de la chaleur ou de la force motrice. Cette utilisation énergétique est aujourd hui marginale car la majorité de l hydrogène est utilisée en tant que composé chimique dans l industrie en raison de ses propriétés réductrices. On parle alors d hydrogène industriel que l on retrouve surtout dans le raffinage et la production d ammoniaque. De nouvelles utilisations sont aujourd hui envisagées, par exemple, dans la sidérurgie ou dans la synthèse de biocarburants de deuxième génération. La problématique de l hydrogène industriel est totalement différente de celle de l hydrogène énergie, la première étant basée sur une utilisation centralisée L hydrogène : une filière complexe. dans de grosses unités, la seconde étant d un champ d utilisation à la fois plus vaste et surtout plus diffus. Toutefois, le développement de la filière énergie aura nécessairement des liens avec la filière majoritaire aujourd hui. La pile à combustible est un convertisseur électrochimique qui produit électricité et chaleur en oxydant un carburant et en réduisant l oxygène. Le carburant qui peut être gazeux, hydrogène, gaz naturel ou biogaz, mais également liquide, méthanol, essence ou gazole. Leur puissance s étale de quelques fractions de Watts jusqu au mégawatt ce qui fait que les applications concernées vont du dispositif portable jusqu à l unité stationnaire industrielle. Les filières énergies et piles à combustibles sont liées parce que complémentaires mais peuvent également être envisagées séparément et se développer indépendamment l une de l autre. En effet l hydrogène n est pas le seul combustible utilisable dans une pile et réciproquement, la pile à combustible n est pas le seul moyen de transformer par exemple l hydrogène en chaleur. 5

7 2.1. Les piles à combustible Elles fonctionnent suivant le principe inverse à l électrolyse de l eau en utilisant la réaction entre l hydrogène ou un hydrocarbure et l oxygène, réaction qui produit de l électricité, de la chaleur et de de l eau. Suivant la membrane employée et la température de fonctionnement, on distingue plusieurs technologies. Les technologies dites basses température (dans la gamme des 60 à 120 c): La pile à combustible alcaline qui utilise l hydroxyde de potassium comme électrolyte et fonctionne à l hydrogène. La pile à combustible à membrane échangeuse de protons (PEMFC) qui utilise une membrane polymère et fonctionne à l hydrogène. La pile à combustible à méthanol direct (DMFC) qui utilise une membrane polymère et fonctionne au méthanol. Les technologies haute température : La pile à combustible à carbonate fondu (MCFC) qui utilise un électrolyte à base de carbonates de métaux alcalins et fonctionne à l hydrogène, méthane ou gaz de synthèse à des températures de 650 C. La pile à combustible à oxyde solide qui utilise un électrolyte céramique et fonctionne à l hydrogène, méthane ou gaz de synthèse à des températures allant de 800 à 1000 C. L ensemble de ces technologies permet d accéder à une très large gamme de puissance (du Watt au Mégawatt) couvrant un très grand nombre d application. Les transports : automobiles, transports collectifs, véhicules industriels et de génie civil, engins de manutention, transport maritime et ferroviaire. Les applications stationnaires, cogénération, courant de secours, voire alimentation de sites isolés. Les applications nomades, générateurs ou chargeurs portables, pour l électronique grand public ou les dispositifs portables, type outillage. Les applications militaires (en relation avec les applications nomades) et aéronautiques du type groupes auxiliaires de puissance. Enfin si la pile à combustible est combinée avec la production d hydrogène de façon décarbonée (via les énergies renouvelables ou par vapo-reformage et capture et séquestration de dioxyde de carbone), elle devient une solution énergétique présentant des avantages énergétiques et écologiques. C est dans cette optique que cette association constitue une solution de stockage des énergies renouvelables susceptible de faciliter leur intégration dans les réseaux intelligents. Le marché du groupe de secours et du site isolé Les systèmes à pile à combustible, pour les applications de groupe de secours ont atteint aujourd hui un niveau de maturité technologique suffisant pour être en compétition avec les technologies traditionnelles avec batteries au plomb ou générateurs diesel. L adoption massive des systèmes à pile à combustible dans ce marché, demande cependant encore d importants investissements dans le développement du produit, afin de le rendre progressivement plus simple, plus fiable et surtout moins coûteux. Le volume actuel du marché des systèmes de secours est estimé aux alentours de 7 milliards de dollars, alors que celui lié aux télécommunications représente environ 46% des 277 milliards de dollars attendu pour Le développement d un générateur d hydrogène fortement intégré dans le groupe à piles à 6

8 combustible est un des facteurs critiques de succès pour les systèmes de piles à combustible, du fait qu il permettrait d éliminer la dépendance aux gaz techniques. La cogénération (CHP) En Europe, le secteur résidentiel est responsable de 40% de la consommation d énergie et de 25% des émissions de gaz à effet de serre. Dans ce domaine, la cogénération à partir d une pile à combustible est une solution fortement envisagée. Les systèmes CHP basés sur piles à combustible à oxyde solide (SOFC) sont particulièrement adaptés, grâce à leur efficacité de conversion électrique, à leur rapport élevé entre électricité et chaleur (efficacité énergétique élevée), à la température élevée à laquelle la chaleur est disponible (aux environs de C). On estime aujourd hui que des incitations adaptées pourraient conduire au remplacement de 90 millions de chaudières en Europe pour 2025, soit 30GW de capacité énergétique. Ce secteur, qui commercialement apparait prometteur et mature, voit se tourner vers lui les acteurs majeurs concepteurs/producteurs de SOFC. Certains fabricants développent actuellement des installations basées sur des piles à combustible alimentées au gaz naturel pour la fourniture d électricité et chaleur dans le cadre résidentiel. Le Japon est décidément le pays qui a le plus développé, lors des deux dernières décennies, la technologie SOFC, avec des entreprises privées soutenues par d importantes contributions financières fournies par des programmes nationaux destinés à la cogénération distribuée par piles à combustible (programme NEDO, etc.). En Corée du Sud, différentes entreprises sont actives dans le secteur des SOFC, adoptant en partie le design tubulaire de Siemens. Plusieurs programmes importants ont été lancés en particulier au Japon, en Allemagne et en Europe avec des cibles ambitieuses et la volonté de se positionner sur ce marché porteur. Ene-farm CALLUX and NIP Ene.field Timescales Countries involved Japan Germany UK, Germany, France, Netherlands, Denmark, Italy, Spain, Austria, Luxemburg, Belgium, Slovenia Electrical efficiencies 30-30% 30-34% >35% System efficiencies 60-80% 80-95% >85% (LHV) No. units >9,000 to date Unit capacity Type Integrated system consisting of fuel cell subsystem, peak heater and hot water storage tank. Designed to produce electricity and hot water Integrated system with fuel cell and peak heater to produce electricity, tap water and supply heat to the home. Storage is a supplementary part of the system 0,3-5kW Combination of integrated and separate systems. Storage is a supplementary part of the system Technology PEM and SOFC PEM and SOFC HT SOFC, IT SOFC, HT PEM and LT PEM Further information Floor standing, outdoor installation. Integration in various German heating systems. Floor standing, wall hung. Indoor installation. Integration in various European heating systems. Floor standing, wall hung. In home installation or in separate installation cabinets. Supply chain Supply Asia, Europe by 2014 Expansion in Germany Expansion across Europe Impact Target is to make Japan industry the leading manufacturer worldwide. Comparaison des cibles des différents grands programmes Part of the German national energy strategy. Savings of primary energy, reducing GHG. Build-up of industrial component and system producers. Move to demonstrate technology as a commercial prospect for the consumer and to develop the supply chains, manufacturing techniques, and support networks necessary for pan-european rollout 7

9 2.2. La production d hydrogène Le vapo-réformage du gaz naturel est le procédé le plus couramment employé aujourd hui. Il consiste à produire de l hydrogène et du dioxyde de carbone à partir de réactions entre méthane et vapeur d eau, puis entre monoxyde de carbone et vapeur d eau. Le biogaz ou d autres hydrocarbures de récupération peuvent être utilisés en lieu et place d hydrocarbures fossiles comme matière première. Le procédé est réalisé à haute température (900 c) et haute pression (20 à 30 bars) en présence d un catalyseur nickel. La production par reformage dégage environ 10 tonnes de dioxyde de carbone pour chaque tonne d hydrogène produite. Cet hydrogène ne peut être considéré comme bas carbone que si sa production est associée à la séquestration et stockage du dioxyde de carbone L électrolyse de l eau consiste à dissocier la molécule d eau en appliquant un courant électrique dans un milieu aqueux qui produit de l hydrogène à la cathode et de l oxygène à l anode. L électrolyse alcaline est utilisée sur les sites industriels et l électrolyse utilisant une membrane d échange protonique (PEM) qui est au stade pré-commercial, sont des technologies basse température. L électrolyse haute température qui est au stade de développement applique le même principe à la vapeur d eau et utilise l énergie thermique contenue dans la vapeur. Dans le cas où l électricité utilisée est d origine renouvelable, on parlera d hydrogène renouvelable ou hydrogène vert. Cette approche présente la particularité de pouvoir utiliser l énergie électrique renouvelable lorsque le réseau ne la demande pas. Par ailleurs la capacité de stockage, associée à une pile à combustible, permet si besoin d injecter de l énergie sur le réseau électrique. Les cycles thermochimiques de décomposition de l eau qui sont au stade de développement consistent en des séries de réactions chimiques utilisant une source de chaleur. La photolyse, d un principe analogue à l électrolyse, et la production par voie biologique à partir d algues ou de bactéries sont également en développement. Par ailleurs, l hydrogène est également coproduit dans divers procédés chimiques (hydrogène fatal), il peut être alors soit valorisé dans un procédé, soit brulé soit rejeté. Du fait de la multiplication des moyens de production, il est possible d envisager divers degrés de centralisation ou de décentralisation de la production. Par exemple : Production centralisée par vapo-réformage, décomposition thermochimique ou électrolyse associée à des centrales nucléaires ou parc éoliens off-shore. Production décentralisée basée sur la biomasse (gazéification ou vapo-réformage) ou électrolyse associée à une production d électricité renouvelable de petite ou moyenne puissance. Production d hydrogène: maturité des technologies. 8

10 Plusieurs technologies existent pour produire de l hydrogène décarboné. Les technologies actuellement les plus économiques (reformage et gazéification) verront leur coût augmenter dû à la fois à l enchérissement des combustibles fossiles et au surcoût de la séquestration. Evolution possible des coûts de production d hydrogène Source: «The role of Battery Electric Vehicles, Plug-in Hybrids and Fuel Cell Electric Vehicles», Mc Kinsey Le stockage, le transport et la distribution d hydrogène Pour être utilisé, l hydrogène doit être stocké, transporté et distribué. Le stockage peut se faire de trois façons : Le stockage cryogénique qui consiste à refroidir l hydrogène jusqu à son point de liquéfaction (- 253 C). cette solution est très énergivore. Le stockage sous pression qui réduit le volume de stockage mais implique une étape de compression (moins énergivore que le refroidissement). Les pressions vont de quelques dizaines de bars jusqu à 700 bars. Le stockage dit solide sous forme d hydrures métalliques qui permet de stocker l hydrogène à pression ambiante et de façon réversible par le jeu de la température. Pour le transport et la distribution, ils peuvent se faire via un réseau dédié dans le cas de sites de production massive reliés à des sites de grande consommation. Le réseau de gaz naturel peut par ailleurs contenir de l hydrogène jusqu à 20 % en volume mais ce qui implique une étape de séparation et de purification en aval. L infrastructure logistique dédiée composée de trailers transportant des containers reste cependant la solution la plus courante mais implique une réflexion vis-à-vis des émissions de gaz à effet de serre L hydrogène dans les transports La grande densité énergétique de l hydrogène en fait un vecteur énergie potentiellement bien adapté au transport. L hydrogène est désormais une option technologique possible pour le secteur automobile. 9

11 Source: «The role of Battery Electric Vehicles, Plug-in Hybrids and Fuel Cell Electric Vehicles», Mc Kinsey Argumentaire de l utilisation de l hydrogène dans les transports Les progrès technologiques et industriels ont à la fois permis d augmenter les rendements et la compétitivité des véhicules à pile à combustible. En particulier : La mise en œuvre de stockage 700 bars a permis d amener l autonomie au même niveau que celles des véhicules conventionnels. Des systèmes innovants permettent maintenant le démarrage par temps froid. La diminution importante des chargements en catalyseur a considérablement amélioré la compétitivité de la solution. Par ailleurs, des normes ont été adoptées pour l hydrogène et pour les équipements qui contribueront à la réduction des coûts. Ainsi suite à des démonstrations impliquant plus de 15 millions de km, les véhicules à pile à combustibles sont maintenant testés et l objectif est maintenant de passer de la démonstration à la production industrielle. L objectif d une production de plusieurs centaines de milliers de véhicules est aujourd hui fixé pour L étape suivante est le déploiement des infrastructures d approvisionnement et des initiatives telles que le partenariat public-privé H2Mobility. Perspectives émission CO 2 / autonomie pour les technologies batteries, hybrides et piles à combustibles. Source: «The role of Battery Electric Vehicles, Plug-in Hybrids and Fuel Cell Electric Vehicles», Mc Kinsey

12 Autobus et transports publics Le Multi Annual Implementation Plan (MAIP) de la FCH JTI envisage un important déploiement de bus alimentés à hydrogène à partir de Les bus pour le transport public pourraient représenter le moyen le plus efficace pour l adoption rapide de technologies de transport et de rencontres basées sur l hydrogène, pour les raisons suivantes : a) Les bus ont moins de restrictions en termes de poids, d espace et de coûts, par rapport aux autres véhicules transportant des passagers, ce qui fait de la production de bus, un segment efficace pour l adoption rapide de technologies. b) Les bus rentrent à la centrale tous les soirs pour se refournir en carburant, ce qui simplifie les infrastructures initiales à installer. c) Le déploiement de flottes de bus à Hydrogène porterait à la construction d infrastructures pour l approvisionnement avec des volumes d hydrogène importants. Ceci permettrait aux entreprises du secteur des infrastructures liées à l hydrogène de développer une chaine d approvisionnement fiable pour des volumes d hydrogène importants, une autre condition critique à la commercialisation. d) Les véhicules sont constamment en contact avec le public et donc permettrait d augmenter la conscience publique ainsi que l appréciation et l acceptation de la technologie. e) Les bus de transport public sont manœuvrés dans un environnement de haute qualité et sécurité par du personnel technique hautement qualifié, permettant de démontrer plus facilement l efficacité opérationnelle. Sur ces bases, suite aux premières importantes expérimentations réalisées en Europe depuis 2002, certains projets de démonstration, voyant la participation d industries constructrices d autobus, de sociétés de transport public et le financement de la part de régions, gouvernements nationaux et programmes européens, sont nés. Les principaux projets, soutenus par la plateforme JTI-FCH, ont l objectif de faire des avancées vers la commercialisation et proposent des target économiques et de prestations finalisés à une entrée sur le marché des premières flottes. Au niveau européen, les principaux industriels impliqués dans le développement de bus à pile à combustible sont: EVOBUS (Daimler), Van Hool, Wright Bus et APTS auxquels s ajoute l expérience d autres opérateurs à échelle plus locale et moins proche du produit. Au niveau géographique, les meilleures expériences sont réalisées en Allemagne, en particulier dans les régions de Hambourg, de Berlin et en Rhénanie du Nord - Westphalie, auxquelles s ajoutent les progrès rapides de Londres et des villes impliquées dans les projets de démonstration suivants : CHIC (plus de 50 autobus) avec comme fournisseurs EVOBUS, Van Hool et Wright Bus pour les villes de Oslo, Milano, Bolzano, San Gallo/Aarau et Londres HyV-locity (15 autobus) avec comme fournisseur Van Hool dans les villes de Sanremo, Oslo et dans la région des Flandres D autres zones actuellement impliquées dans des projets de démonstration sont localisées en Rhénanie du Nord - Westphalie (Cologne), et récemment, le projet de flotte d autobus à pile à combustible d Aberdeen (12 véhicules) est en cours de développement. Vehicules spéciaux Actuellement les véhicules à alimentation électrique sont considérés comme une réponse valide à la libre circulation et opérativité surtout en milieux fermés. En d autres termes, au moins pour le futur prévisible, ils représentent l unique solution permettant une opérativité avec absence d émission directe de polluants et donc en mesure de garantir la satisfaction des 11

13 réglementations de plus en plus strictes en termes de sauvegarde de la santé des opérateurs dans les milieux professionnels. Malgré cela, les véhicules à propulsion électrique présentent des limites liées au stockage et au transport d énergie à bord, qui en limitent l autonomie et la disponibilité des véhicules et donc leur diffusion à large échelle. Dans ce contexte, surtout quand les quantités d énergie deviennent importantes, la solution aujourd hui disponible, basée sur l utilisation d accumulateurs électrochimiques (batteries) ne peut être considérée que comme transitoire (bien que l unique actuellement praticable) et limitée à cause du poids, de l encombrement, des coûts et de la durée des batteries. La solution basée sur l utilisation d une pile à combustible alimentée à hydrogène, est aujourd hui considérée comme une des plus prometteuses pour dépasser lesdites limites. Elle permettrait d étendre le champ d application de la propulsion à émission zéro, favorisant dans le même temps, une utilisation efficace de l énergie Les infrastructures de distribution Si le déploiement des véhicules à pile à combustible a démarré dans plusieurs pays européens, les infrastructures de distribution doivent maintenant être adressées. Les coûts d infrastructure hydrogène sont considérés comme voisins à ceux d une infrastructure de recharge électrique (soit 1000 à 2000 /véhicule). L attractivité économique du véhicule à hydrogène est en passe d être prouvée, mais le problème de l infrastructure de distribution reste à évaluer. Une synchronisation étroite entre les divers éléments de la chaine de la valeur sera requise pour limiter le risque initial, accompagnée d une coordination gouvernementale et supportée par un contexte législatif et financier adapté. En effet, un taux d utilisation insuffisant des infrastructures dû à un nombre trop faible de véhicules pénalisera économiquement le déploiement du réseau de distribution. Source: «The role of Battery Electric Vehicles, Plug-in Hybrids and Fuel Cell Electric Vehicles», Mc Kinsey

14 Premières étapes du déploiement Les estimations du programme TEN-T, situent à 1500 Md le coût des infrastructures adaptées à la demande du transport et ce sur la période (500 Md jusqu en 2020) L Union Européenne supporte le déploiement du programme TEN-T à travers plusieurs types de financements: le Fond de Cohésion, le Fond de Développement Régional et la Banque Européenne d Investissement. Le déploiement de l infrastructure hydrogène pour le transport est pris en compte dans le CEF (Connecting Europ Facility) en même temps que les infrastructures énergie et numériques. Les principaux corridors identifiés concernent l Europe du Nord et le Royaume Uni. La stratégie globale vise d abord le déploiement d infrastructures locales pour passer progressivement à des interconnexions entre centres urbains Spécificités des technologies hydrogène La chaine de la valeur de l hydrogène mobilise à la fois les compétences d acteurs du domaine de l électricité et d acteurs du domaine de l industrie gazière pour la fabrication des composants, leur intégration et leur exploitation et maintenance. Les installations de production d hydrogène s apparentent à des centrales de production électrique et de position de chaleur avec les spécificités propres à l utilisation de l hydrogène. Le cœur d un électrolyseur d une pile est un empilement de membranes échangeuses de proton (polymères ou oxydes métalliques) encadrées d éléments conducteurs électriques et de plaques distribuant les gaz. L étanchéité de l ensemble vis à vis du combustible et de l oxygène doit être assurée à la température de fonctionnement. Les industries de la chimie, de la métallurgie et de la céramique sont donc sollicitées par les développeurs de «Stack». Autour de ces empilements sont intégrés des systèmes d alimentation gazière ainsi que des systèmes de régulation thermique et électrique. Il s agit de systèmes d électronique de puissance, de contrôle commande, d échangeurs thermiques, de dispositif de purification des gaz, etc Le coût d investissement d une pile à combustible qui est de 3000 à 5000 par kw dépend en particulier de la spécificité des équipements périphériques. Les équipements piles et électrolyseurs impliquent des études en amont par des intégrateurs pour satisfaire les spécifications de l exploitant, incluant l étude du stockage le mieux adapté, le raccordement au réseau électrique et aux réseaux de chaleur éventuels. Le coût de l exploitation d électrolyseurs ou de piles à combustible dépend essentiellement du coût de l électricité ou du coût du combustible, hydrogène ou hydrocarbure Contexte réglementaire La réglementation actuelle a été bâtie autour des usages traditionnels de l hydrogène dans l industrie chimique. Il s agit donc d une réglementation encore ciblée pour des applications de grande taille. En France, l hydrogène relève également de la réglementation générale sur les produits inflammables et explosifs. Situation française Le code de l environnement soumet toute installation de production d hydrogène au régime des «Installations Classées pour la Protection de l Environnement (ICPE)» ce qui est dû au fait que jusqu à une date récente, la production d hydrogène était assurée par des unités de réformage spécifiques reliées à des unités de chimie lourde ou de pétrochimie. La réglementation concernant le stockage diffère suivant les quantités stockées, moins de

15 kg, pas de déclaration, de 100 kg à 1 tonne, déclaration simple, pour plus d une tonne, demande d autorisation. Des évolutions réglementaires sont à l étude pour traiter les nouveaux usages et en particulier ceux liés à la production décentralisée (petit reformage ou petits électrolyseurs). En ce qui concerne plus précisément les véhicules, tout véhicule doit être soumis à une homologation. En France, les véhicules ont évolué jusque-là dans des lieux privés et la première homologation a eu lieu en décembre Situation italienne Aujourd hui, la réglementation en vigueur en Italie repose sur les décrets suivants: Décret Ministériel du 16 février 1982 concernant la détermination des activités sujettes aux visites de prévention incendie. Décret Ministériel du 24 novembre 1984 concernant les normes de sécurité anti-incendie pour le transport, la distribution, l accumulation et l utilisation du gaz naturel avec une densité non supérieure à 0,8. Décret Ministériel du 31 août 2006, concernant l approbation de la réglementation technique de prévention incendie pour la conception, construction et fonctionnement des installations de distribution d hydrogène pour auto-traction. En 2009, un projet de loi (Boffa-Alfano) a été présenté à la Commission des Transports de la Chambre des Députés. La proposition de loi, actuellement en cours d étude, a pour objectif de promouvoir des interventions de filière pour l étude et la réalisation: de systèmes pour la production, le stockage et la distribution d hydrogène produit à partir d énergie solaire ou d autres sources d énergies renouvelables; de systèmes pour la production, le stockage et la distribution de combustibles ultra-propres de nouvelle génération d origine biologique; de prototypes de véhicules alimentés à hydrogène ou à combustibles ultra-propres de nouvelle génération d origine biologique et des procédures d homologation associées de réseaux de monitoring du contrôle de l efficacité et de la sécurité des vehicules. d emplacements exclusifs pour les vehicules munis de stations de contrôle et de recharge. Avec le Décret du 31 août 2006, apparaissent en Italie, les premières normes destinées à réglementer la prévention des incendies, la sauvegarde des personnes, la tutelle des biens, la construction et le fonctionnement des installations de distribution d hydrogène pour autotraction, qui se focalisent cependant sur les emplacements exclus pour ces installations. Depuis 2006 aucune mise à jour ni intégration n ont été réalisées sur ce thème. Procédure pour l obtention de l homologation suite à test à exemplaire unique de véhicules à pile à combustible fonctionnant à hydrogène. Ce type de procédure est celui qui est la plus adapté pour les véhicules prototypes ou qui ne sont pas encore en production de masse. Afin d être considéré apte à la circulation routière, chaque véhicule doit être soumis à visite et test - un ensemble de contrôles techniques et documentaires que l autorité (ou l organe compétent) doit réaliser pour garantir la sécurité lors de l utilisation du véhicule par le Ministère des Infrastructures et des Transports (Département des Transports Terrestres Centre de test véhicules automobiles) ou par un organisme certificateur de l Union européenne, comme par exemple le Tüv. L homologation permet au constructeur de réaliser une série de véhicules automobiles identiques au prototype testé; chaque exemplaire produit pourra donc être immatriculé directement avec les documents fournis par l entreprise. 14

16 L entreprise, qui a l intention d homologuer un véhicule, devra produire lors de l acte de la demande, entre autres choses, un rapport technique très détaillé sur la vérification conceptuelle de la conversion du véhicule original à véhicule fonctionnant avec pile à combustible à hydrogène, dans lequel seront décris, le véhicule de départ (caractéristiques, dimensions, poids, ), les systèmes et les composantes ajoutées au véhicule de base (pile à combustible et relatifs auxiliaires), traction électrique et batterie de traction, la conception des modifications et la transformation du véhicule selon le projet et le système de contrôle du système global. Ce rapport devra contenir toutes les modifications effectuées au véhicule original, de manière à pouvoir évaluer les tests et vérifications qu il sera nécessaire d effectuer pour obtenir l homologation du véhicule Les forces en présence Bien que la Pile à Combustible ne soit qu une partie de la problématique hydrogène énergie, la vision des forces en présence au niveau mondial est instructive en particulier sur la réaction visà-vis des incitations des états ou celles résultant des partenariats public-privé. Le Japon et les USA sont les acteurs majeurs dans le développement des piles à combustible et ils sont suivis par l Europe, elle-même bientôt talonnée par la Chine et la Corée. Au Japon, des piles à combustibles pour le résidentiel sont commercialisées depuis 2009 et plus de 5000 unités ont été mises en œuvre à travers un mécanisme de soutien de 75M$. Des démonstrations de «villes-hydrogène» ont été lancées et l état ainsi que les acteurs industriels de l énergie supportent l implantation de stations-service hydrogène. Les États-Unis sont aujourd hui leader du domaine des engins de manutention hydrogène suite à des incitations ayant conduit à une part de marché de 2%. Le DoE a financé à hauteur de 170 M$ le développement, la démonstration et la commercialisation des piles à combustibles. Les états interviennent également par des incitations concernant les stations de distribution. La Chine a investi jusqu à aujourd hui 2,8 Md$ dans la R&D sur pile à combustible et infrastructures avec une attention particulière sur la production d hydrogène. La Corée du Sud annonce des programmes de soutien à la cogénération avec pile à combustible: le plan stratégique de la ville de Seoul prévoit 47% de production d énergie par des piles à combustible en Investissements dans les technologies piles à combustibles. 15

17 Les marchés. Le marché historiquement tiré par l hydrogène industriel est d environ 40 Md d euros. Sa croissance annuelle est de l ordre de 10% en raison des normes sur les carburants et de l augmentation de production des biocarburants. Le marché des piles à combustible est maintenant en phase commerciale sur les applications stationnaires. Les nombreuses applications de l hydrogène laissent entrevoir plusieurs autres marchés à moyen long terme. Marchés Hydrogène sans CO 2 pour l industrie CA annuel potentiel mondial Equilibre réseau utilisation H 2 vert Piles à combustible stationnaires Piles à combustible mobiles et nomades 100 G G 10 G G 100 G Piles à combustible marchés automobiles Echéance 5 à 10 ans 5 à 10 ans Immédiat Démarrage 5 à 15 ans Source : estimations en 2010 de la plateforme HyPAC 2010 global shipments market forecast Stationary - PEMFC Stationary - MCFC, AFC, SOFC off-grid power generation (telecomunications); micro-chp for domestic and commercial (hotels, hospitals); prime power; back-up power Large-scale power generation + CHP units (45%), of which more than (domestic) in Japan 63 MW, of which more than 20 MW in South Korea USD 9.5 billion (2007) Portable PEMFC, DMFC remote monitoring units; external battery rechargers; consumer electronics (laptops, smartphones), military 22% of units Very low MW USD 2.8 billion (2017) Transport PEMFC Transport SOFC LDV, buses, materials handling, unmanned aerial vehicles APU (trucks, reacreational vehicles) 33% uf units 27 MW LDV (2020) Total 90 MW; units Deux projections des marchés des technologies hydrogène. Source: PikeResearch, 2011; FuelCellToday,

18 3. Journées Collaboratives Tenerrdis Hydrogène : les messages clef 3.1. L économie de l hydrogène La croissance démographique et le développement de l activité humaine montre clairement que la demande en énergie va augmenter. Tendances du besoin en énergie Face à ce constat, le mix énergétique actuel n est pas adapté à une vision long terme car : Il repose sur des ressources fossiles par définition finies. Il a un impact environnemental fort car trop carboné (1/3 de la production mondiale d électricité est décarboné. Enfin les technologies durables doivent également être analysées en terme de recyclage des matériaux, de l énergie grise, des déchets, etc.. ; Challenges d un futur mix énérgétique. 17

19 Les énergies renouvelables constituent un des éléments de réponse à la problématique car leur développement agira sur les émissions de CO 2 en diminuant l exposition à la volatilité des prix des énergies fossiles. Dans ce sens les énergies renouvelables sont aussi un facteur de développement économique. Le potentiel des énergies renouvelables. L hydrogène fait partie du mix énergétique de l avenir car il peut intervenir dans le domaine de l énergie comme outil d adaptation de l offre à la demande, au niveau de l habitat et au niveau des transports ainsi qu au niveau industriel qui en est le principal consommateur aujourd hui. Tous des domaines majeurs des émissions de CO 2 sont donc concernés. Pour cela, la filière hydrogène doit être développée dans le sens d une amélioration de l efficacité (au sens large, production, conversion) et dans le sens de sa production à partir de source décarbonées. La filière hydrogène fait aujourd hui l objet d activité de développement et de démonstration croissantes comme en témoignent son caractère de filière clef dans les pôles de compétitivité adressant les énergies renouvelables. Les questions portent aujourd hui sur les actions à mettre en place pour stimuler la filière, vers quels marchés et avec quels mécanismes. Les pouvoirs publics français et les associations professionnelles ont identifié des champs d actions et mis en place des premiers outils à travers par exemple les investissements d avenir. Mais, d ores et déjà, les questions de business model, de structuration de la filière et de l agrégation des compétences autour de celle-ci doivent être posées pour préfigurer les futurs déploiements industriels et commerciaux. La vision d un investisseur. Les Venture Capital investissent dans l hydrogène car plusieurs paramètres convergent : Une population mondiale grandissante, donc un besoin d énergie qui augmente. L accident de Fukujima et l arrêt du nucléaire en Allemagne qui mettent en avant le besoin d un mix énergétique décarboné. La diminution des ressources fossiles et surtout l augmentation de leur prix. C est le moment d investir dans l hydrogène car : le marché est en décollage ( unités de PAC vendues en 2010 Taux de croissance de 115% entre 2011 et Marché de 1,6 Mds en 2016). 18

20 De nombreux acteurs sont en croissance et préfigurent la chaine de la valeur : (Ballard, Hydrogenix, Proton, Plugpower, McPhy, CETH, Acal Energy, Air Products, Air Liquide, Linde). On arrive à la phase d industrialisation qui est le plus gros challenge. Enfin plusieurs segments de marché existent, groupes de secours, sites isolés, stockage des ENR, mobilité, cogénération et stationnaire,. Les divers segments de marché de l hydrogène L hydrogène vecteur de stockage et de service au réseau Le couplage de l hydrogène au réseau d énergie peut se faire par deux approches : En mode stockage / déstockage. En diluant l hydrogène dans le gaz naturel et en utilisant son réseau de transport. La première approche n a pas encore trouvé son modèle économique ni une chaine de la valeur avérée. L hydrogène a du mal à trouver sa place comme moyen de stockage de l énergie parmi les multiples systèmes de stockage d énergie, et ce, malgré l expérience de l hydrogène industriel. L économie du stockage électrique Toutefois, il existe des signaux positifs : les réalisations d Hydrogenics en Amérique du Nord avec un modèle économique qui fonctionne. 19

21 Le donne du couplage électrolyseur / énergie renouvelable est en train de changer, par exemple pour la micro-hydraulique qui est en situation de sortie de tarif de rachat. des démonstrateurs sont en voie de démarrage, comme le projet MYRTHE, couplés avec le photovoltaïque. Enfin, les composants, PAC et électrolyseurs sont à maturité et l offre technologique est large et offre des solutions complémentaires (par exemple électrolyse PEM ou électrolyse alcaline). Le moment est venu de mettre en œuvre ce qui nécessaire à la baisse des coûts. La cible coût qui est de diviser par 5 à l horizon 2014, est positionnée en référence aux des technologies diesel et les batteries. Cette chute du prix est parfaitement envisageable selon l avis des acteurs industriels et des acteurs de recherche technologique. Un certain nombre de démonstrations sont en cours aujourd hui pour évaluer l utilisation des ENR couplés au stockage d hydrogène dans le cas de sites isolés. Sans préfigurer complètement ce que pourrait être l intégration des ENR dans le réseau à travers le vecteur hydrogène, elles apportent des éléments importants et surtout elles tendent à démontrer que la technologie hydrogène est en position pour concurrencer valablement l utilisation du diesel. Potentiel de l hydrogène dans les applications site isolé. En conclusion, il existe des technologies à hydrogène suffisamment matures pour contribuer à l intégration des ENR dans le réseau tout en leur donnant de la valeur. Le stockage par la voie hydrogène peut donner aux ENR la souplesse qu elles n ont pas à cause entre autre de leur intermittence. Il s agit d une réelle opportunité de valorisation de ENR. Modèle de valorisation des ENR à travers le stockage. 20

22 Pour ce qui est de la dilution de l hydrogène dans le gaz naturel, l intérêt est bien sûr de bénéficier de l infrastructure existante et de réduire l investissement. En effet, la France a le plus gros réseau européen (32000 km en haute pression, km en distribution, 13 stockages souterrains, 11 millions d utilisateurs) soit une valeur de 100 Mds d euros. L injection d hydrogène n est pas encore une réalité économique mais les démonstrations montrent qu elle peut être poussée sans préoccupation de sécurité jusqu à 20% en volume (la réglementation actuelle prévoit 10%). Certaines utilisations ont déjà été testées positivement (chaudières), le stockage sous terrain et les technologies de compresseur sont encore à valider si on préfère éviter les solutions d injection en aval. Par ailleurs, des aspects tels que l interconnexion des réseaux européens ainsi que le choix des teneurs en hydrogène en relation avec la souplesse d usage industriel doivent progresser pour pouvoir établir des modèles économiques fiables Production d hydrogène renouvelable ou bas carbone La production d hydrogène intéress le marché mature de l hydrogène industriel et le marché émergent de l hydrogène énergie et il croit de 7% an. Le reformage assure 96 % de la production au prix de 2 à 3 % des émissions CO 2 mondiales. L électrolyse chlore soude assure 3.5 % et l électrolyse de l eau, 0,5%. Le coût de l hydrogène est donc conditionné par le coût du gaz et le coût de l électricité. Positionnement des diverses technologies de production d hydrogène. Aujourd hui la plus grande partie de la production est réalisée par les utilisateurs eux-même et pour les gaziers (source Air Liquide) le modèle économique de croissance consiste d une part à rechercher des industriels ne souhaitant plus réaliser cette production, d autre part, à ouvrir de nouveaux marchés, en particulier l électrification d installations isolées ou mal desservies. Pour Air Liquide, passer à l hydrogène vert (valorisation de fermes solaires ou éoliennes, reformage du biogaz) est envisageable dès qu une taxe carbone permettra les premiers investissements qui pourraient ouvrir, soit l exploitation du renouvelable, soit la séquestration du CO 2. L électrolyse alcaline est plus mature que l électrolyse PEM qui est plus onéreuse en raison des matériaux utilisés. L électrolyse alcaline est bien adaptée pour la production continue, mais elle est sensible aux irrégularités de pression et aux irrégularités d alimentation électrique. De ce 21

23 fait, la technologie PEM a un potentiel important en particulier en couplage avec les sources intermittentes (PV ou éolien). Comparaison des technologies d electrolyse. L électrolyse haute température est encore à l état de développement en raison de la problématique des matériaux. Ce développement doit être poursuivi en raison du bon rendement de la technologie, des bonnes perspectives qu elle offre en termes de durabilité et de la possibilité de mettre en œuvre des systèmes réversibles. Le fait que des technologies de production d hydrogène vert existent et soient matures industriellement ne signifie pas obligatoirement qu elles aient un impact économique. Deux questions sous-tendent ce constat : À partir de quel moment l électrolyse devient elle compétitive par rapport au réformage. Quelle valorisation des ENR apporte le couplage au réseau par l hydrogène (en tenant compte du cas particulier des réseaux insulaires. Pour un grand énergéticien, le marché est encore émergent (horizon de 10 ans) ou de niche et il sera peu enclin à investir sur des marchés aussi faibles. Pour trouver une rentabilité dans les dix prochaines années, il faut envisager des marchés à haute valeur ajoutée, comme : Stockage pour insulaire en complément des STEP et de batteries Sodium-Souffre. Usage de secours et sites isolés : relais de communications telecom, dans des micro-grid pour de l autosuffisance. Le transport sur le marché des flottes captives. Par ailleurs, la production d hydrogène vert doit être mise en face d autres possibilités : Celle de l hydrogène fatal, car on peut estimer à 1,2 millions le nombre de véhicules qui pourraient être alimentés en Europe par l hydrogène fatal. Le coût des hydrocarbures, environ 1,4 /litre aujourd hui à rapprocher de l objectif 2013 du programme H2Mobility de 9 /kg soit un gasoil à environ 1,75 /litre (mais hors fiscalité). L impact d une taxe carbone est favorable pour l hydrogène vert, mais, il faut aller vers des investissements de très grande taille pour obtenir des effets de baisse des coûts par les volumes, investissements problématiques dans le cadre de la crise économique actuelle. 22

24 3.4. Automobile et transports La dépendance énergétique et la pression environnementale sont les raisons qui poussent à remplacer le pétrole dans les transports. La pile à combustible ou des solutions d hybridation incluant la pile à combustible sont des solutions sur lesquelles l activité a été forte sur la dernière décennie. L intégration de la pile à combustible dans les transports est au croisement de deux problématiques : La problématique véhicule, quelle technologie ou quelle hybridation suivant les types de véhicules ou leur usage? Le réseau de distribution d hydrogène ainsi que l aspect production, qu elle soit centralisée ou décentralisée. Les trois niveaux d intégration des piles à combustible dans les transports. Pour ce qui concerne les véhicules, l effort de R&D a été considérable, il y a eu de nombreux démonstrateurs et on est maintenant à l étape des choix industriels et des choix de marché. Les annonces de commercialisation commencent à apparaitre, par exemple, la Class B Fuel Cell de Daimler pour La roadmap de l industrie automobile envisage des petites séries ( véhicules/an) pour 2014/2015, une production de masse ( véhicule/an) étant prévue en 2018/2020. Pour 2015, deux voies sont envisageables, des véhicules électriques à Pile à combustible visant les marchés de niche ou des véhicules à batteries utilisant une pile à combustible comme prolongateur d autonomie, et, dans tous les cas, les impératifs sociétaux (sécurité et environnement) doivent être satisfaits. L autre point important concerne la conception même des véhicules. Pour atteindre la compétitivité requise, il faudra aussi «reconcevoir» les véhicules autour de leur groupe propulseur et augmenter l intégration des fonctions. Constructeurs, des stratégies différentes Pour PSA, c est la réduction des gaz à effet de serre qui est le moteur principal. PSA développe un ensemble de technologies pour améliorer les véhicules classiques sans rupture technologique et envisage aussi des solutions d hybridation parmi lesquelles la Pile à combustible n est qu une brique parmi d autres. PSA, compte tenu de la petite taille des véhicules qu il produit, privilégie une stratégie basée sur le véhicule électrique, et ayant recours éventuellement à la pile à combustible en tant que prolongateur d autonomie et non en tant que propulsion principale. Le segment de marché visé est le véhicule urbain ou peri-urbain ou les véhicules utilitaires légers. Toyota a un positionnement différent des constructeurs français et vise à mettre à la 23

25 disposition de tous les segments de marché des véhicules durables zéro émission. Le pari de l hybride a été pris depuis plus de 10 ans avec le développement de la Prius. C est maintenant une plateforme qui permet d avancer sur la voie de l électrification des véhicules qu ils soient hybride batterie ou pile à combustible. Tous les segments de marché de l électromobilité sont interessés, des petits véhicules purement électriques pour applications essentiellement urbaines avec peu d énergie embarquée jusqu aux véhicules mus exclusivement par pile à combustible pour les applications fortes charges et longues distances. Dans cette stratégie, les véhicules hybrides se situent au milieu de ces deux extrêmes. Toyota estime qu en France, les véhicules électriques à batteries bénéficieront d un soutien mais que tout un pan de marché ne sera pas adressé, en particulier celui impliquant les hybrides. Roadmap Toyota du véhicule propre Les infrastructures, production d hydrogène et réseau de distribution, sont le deuxième facteur qui conditionne le développement de la mobilité hydrogène. On sait aujourd hui qu il est techniquement possible de distribuer l hydrogène pour les applications de mobilité. À ce titre l expérience allemande développée à travers la H 2 mobility Initiative dont Total est partenaire, montre qu il est possible d atteindre en 2020 des objectifs substantiels (500 stations de remplissage avec la logistique d approvisionnement). Cette expérience met également l accent sur les verrous liés en particulier aux risques de sous-exploitation des stations et à la nécessité de standardiser et d homologuer les dispositifs de distribution en station. La question de l approvisionnement en hydrogène se pose mais est de moindre impact, des capacités existent et peuvent être exploitées tout autant que l hydrogène fatal. Cependant, le choix entre approvisionnement centralisé ou décentralisé peut également affecter l équation économique. Infrastructure hydrogène, l exception française. 24

26 En conclusion, le développement des flottes de véhicules et celui de l infrastructure sont totalement liés, un minimum de véhicule est nécessaire pour justifier la mise en place des infrastructures. A ce titre, l exemple français présente un fort décalage par rapport au reste de l Europe. Il existe une autoroute nord-sud de l hydrogène en Europe qui évite la France. Par ailleurs l industrie automobile française fait un choix plutôt orienté sur le véhicule électrique batterie et les constructeurs français sont en retard pour ce qui concerne la pré industrialisation des technologies pile à combustible Groupes électrogènes et cogénération Par rapport aux groupes électrogènes conventionnels, les piles à combustible présentent des avantages au niveau de leur usage : Le rendement est élevé. Les émissions de CO 2 sont faibles (fonctions également du type de production d hydrogène). Les émissions d oxydes d azote sont quasi nulles. Le fonctionnement est silencieux (à l exception de certains auxiliaires). De ce fait et également grâce à des mesures incitatives au Japon et aux USA, le secteur stationnaire est l application qui a stimulé très fortement le marché de piles à combustible, en particulier, quand pour des piles associées à la cogénération électricité/chaleur. La problématique dans les applications résidentielles fait intervenir plusieurs paramètres dont le degré d isolation thermique du bâtiment et la nature de la demande client, majoritairement électricité ou majoritairement chaleur et éventuellement rafraichissement. D autre part, suivant le type de bâtiment et d opération (réhabilitation ou immeuble RT2012), la demande va varier de façon considérable. Le choix de la technologie est entre autres dépendant de ces aspects, en particulier la température de fonctionnement. Aujourd hui la PEM a montré sa flexibilité mais les retours d expérience poussent à évaluer d autres technologies. Lorsque l on augmente les températures, les coûts augmentent et des turbines ou des moteurs peuvent être plus économiques. Les SOFC ont l avantage du haut rendement mais sont encore d un coût élevé. D autre part, les aspects de cyclage thermique deviennent critiques particulièrement dans les bâtiments BBC à faible demande en chauffage. Aussi et paradoxalement, les bâtiments anciens sont plus simples à gérer et le modèle économique est plus favorable. 25

27 L alimentation en gaz est également un critère qui peut agir sur le choix de la filière. Le gaz naturel ne contient pas que du méthane, la qualité du gaz n est pas stable (suivant les zones de production) et le cas du biogaz est lui aussi particulier. Par ailleurs il n existe pas aujourd hui de standard européen sur la qualité du gaz, les normes sont celles de chaque état. L exemple Japonais Le Japon, à travers un programme de soutien, a considérablement poussé le développement de la pile à combustible pour les applications domestiques avec un accent particulier sur la microcogénération. Douze milles systèmes sont déjà installés et treize milles sont prévus à court terme. Comparativement, seules quelques centaines sont prévues en Allemagne). Les raisons de la performance japonaise sont à rechercher dans le coût élevé de l électricité, la qualité médiocre de la fourniture d électricité poussant aussi à rechercher des productions locales. La conscience sociale vis-à-vis de l économie de ressources est également un paramètre à prendre en compte. Cogénération, les enjeux. 26

28 3.6. Le nomadisme Le marché du nomadisme associé à l hydrogène est émergent, aussi, de nombreuses options existent pour chaque élément de la chaine de la valeur et les modèles économiques associés ne sont pas encore déterminés. Contrairement à des domaines tels que la production d hydrogène ou la mobilité pour lesquels les politiques industrielles ont une influence majeure, l utilisateur et son appropriation vis-à-vis des nouvelles technologies est ici l élément décisif, et la dimension pratique et presque affective vis-à-vis de l objet commence à intervenir fortement. Tout d abord le nombre de champs à explorer est considérable, objet grand public ou objets professionnels, grande gamme de puissance adressée, besoins très ciblés comme le militaire Ensuite, le problème de l intégration de la technologie dans l objet pour se rapprocher du modèle batterie. Si elle est envisageable (et souhaitée par l utilisateur) pour les petites puissances, elle n est pas forcément souhaitable ni faisable pour les puissances les plus importantes. Autre question ouverte, réservoir rechargeable ou jetable, ce dernier offrant une sécurité d approvisionnement considérée supérieure par l utilisateur. Enfin, la logique qui consiste à commencer par les marchés de niche avant d attaquer les marchés de masse, n est pas forcément celle du marché du nomadisme. Dernier point, les cibles commerciales et leurs besoins. Entre le techno-addict pour qui l objet en tant que tel est le moteur et a une fonction identitaire et l usager militaire qui retient en premier lieu, la sécurité de la fourniture d énergie, il existe tout un panel de motivations différentes. La performance pourra être le moteur pour certains usagers (autonomie d outillage portatif par exemple), mais la facilité d usage sera peut-être prépondérante pour des applications grand public. La conscience écologique qui peut être motrice sur d autres marchés, n est peut-être pas un moteur important pour le marché du nomade Les choix technologiques pertinents sont donc encore nombreux, choix du standard de l interface de connexion, du type de combustible, mode de distribution. Par ailleurs, sur le plan de la production industrielle, le réservoir et la pile à combustible ne peuvent pas être traités sur le même plan. Les capacités de produire de grandes quantités de réservoir rechargeables ou pas existent, par contre, les capacités pour produire des micro ou mini piles à combustibles sont à créer. Par ailleurs, les capacités de production de piles seront très inférieures à celles des réservoirs une fois le marché établi, ce qui pose le problème du lancement du produit là où il faut autant de piles que de réservoir. Le réseau commercial de distribution d hydrogène se différenciera totalement des infrastructures qui sont par exemple celles nécessaires à la mobilité hydrogène. La distribution se fera probablement en utilisant des ressources déjà existantes (supermarchés, kiosques), l idée directrice étant que pour l objet nomade, la distribution doit rester proche du consommateur et de ses habitudes. En conclusion, la problématique du nomade hydrogène peut être rapprochée de celle de la mobilité il y a 10 ou 15 ans. Aujourd hui, des marchés de masse très considérables peuvent être envisagés, c est ce que fait BIC, comme il est possible de développer sur des niches (Paxitec). Contrairement aux autres domaines, il n y a pas ou peu d influence du contexte existant (production, politique énergétique). Seule, la réglementation et son évolution sont à considérer dans la perspective de développements futurs. Il est d ailleurs probable que dans le contexte normatif, c est le marché qui décidera, la norme devenant celle de celui ayant vendu le plus de systèmes. 27

29 3.7. Mise en œuvre de l hydrogène La réglementation française sur l hydrogène s appuie aujourd hui sur deux types de directives. Celles portant sur les risques de stockage. Celles portant sur l impact environnemental. Cette réglementation a été établie principalement pour encadrer la production d hydrogène par réformage et son utilisation en grandes quantités dans l industrie. Le constat est partagé sur le fait que la réglementation actuelle n est pas adaptée aux nouveaux usages. Les procédures passent par les Directions Régionales qui peuvent donner les autorisations mais ne peuvent pas agir sur les réglementations. Pour ce dernier point, c est les Directions Générales qui peuvent agir et ce, relativement rapidement (1 an) et c est elles qu il faut solliciter pour modifier la réglementation. Il y a donc nécessité pour cela de structurer des actions des différents acteurs, donc de structurer les différents acteurs entre eux. La structuration de l AFHYPAC est de ce point de vue une avancée. Pour progresser, il semble qu il faut tout d abord segmenter les applications visées (mobilité, habitat individuel, ) et impliquer : Les acteurs de la réglementation au niveau national et local. Les autres acteurs rattachés au domaine choisi comme les Directions du Logement, comme de la Sécurité Civile, etc pour ensuite se mettre autour de la table autour de projets concrets dans lesquelles les quantités stockées et les pressions sont connus, et à partir de là, prévoir le risque auquel seront exposés les riverains ou les pompiers. 28

30 Version italienne Versione italiana

31 1. Contesto e sfide Il sistema di sviluppo delle società è oggi confrontato alla triplice problematica delle crisi energetiche, climatiche ed economiche. Cambiamenti importanti andranno a modificare il modo di consumare e di produrre l energia e ciò si traduce attraverso la concretizzazione di impegni politici significativi: A livello mondiale, il protocollo di Kyoto fissa degli obiettivi di emissione dei GES. A livello europeo, il pacchetto clima energia e l obiettivo entro il 2020 di ridurre del 20% le emissioni di GES, migliorare del 20% l efficienza energetica e sviluppare del 20% le ENR. Parallelamente, l idrogeno e le celle a combustibile sono state identificate come le tecnologie chiave secondo il SET (Strategic Energy Technology) Plan e le attività tecnologiche di ricerca e di dimostrazione sono sostenute dalla commissione nell ambito del JTI H2PAC. A livello nazionale: - in Francia: la legge POPE (legge di orientamento per le politiche energetiche) ha introdotto il principio del fattore 4 e le leggi Grenelle I e Grenelle II sono state emanate per combattere il riscaldamento climatico. La Grenelle è allineata alla direttiva europea 3*20. - in Italia: le politiche energetiche sono sviluppate a livello nazionale (Piano Energetico Nazionale) e quindi articolate a livello regionale con appositi piani declinati secondo il principio del burden sharing. La strategia Energetica Nazionale è basata sul Piano di Azione per l Efficienza Energetica (PAEE) e il Piano di Azione Nazionale (PAN) per le Rinnovabili al In questo contesto, l idrogeno viene citato come una delle possibili opzioni tecnologiche ma solo per quanto attiene l uso di bioidrogeno o di idrogeno da rinnovabili per trazione. Non viene invece preso in considerazione l uso di FC per applicazioni stazionarie. Nonostante alcuni tentativi negli ultimi anni, l Italia non si è ancora dotata di una specifica piattaforma relativa al tema idrogeno/fc, pertanto questo settore vede ancora esperienze frutto di iniziativa di singole industrie o di territori, senza che queste siano per ora in grado di strutturare un vero e proprio piano di azione coordinato a livello nazionale Questo contesto politico e normativo deve essere tenuto in considerazione, visto che, come per diverse tecnologie emergenti, anche lo sviluppo della filiera a idrogeno. Inoltre, nell ipotesi di una decisa evoluzione dei dati energetici nazionali che implicherebbe fortemente questa filiera, è assolutamente indispensabile un valido e visibile sostegno politico a lungo termine. 1

32 2. La filiera Idrogeno - Energia Questo documento tratta principalmente dell idrogeno come vettore energetico e la cella a combustibile focalizzando l attenzione sulle sue diverse opzioni di utilizzo, le diverse opzioni tecnologiche e gli attuali livelli di produzione e la sua distribuzione. L idrogeno ha un forte potenziale energetico e può di conseguenza essere utilizzato in numerose applicazioni. L idrogeno può essere ricavato utilizzando qualsiasi fonte di energia primaria e quindi trasportato, stoccato e distribuito al consumatore finale. L utilizzo dell idrogeno per scopi energetici è oggi secondario in quanto la maggior parte viene impiegata nell industria chimica per le sue caratteristiche riducenti. Si parla quindi di idrogeno industriale che viene utilizzato soprattutto nella raffinazione e nella produzione di ammoniaca. Gli utilizzi sono oggi in corso di sviluppo, come per esempio, nel settore siderurgico o nella sintesi dei biocarburanti di seconda generazione. Figura 1: L idrogeno: una filiera complessa La questioni tecnologiche connesse all idrogeno industriale sono totalmente diverse da quelle dell idrogeno come vettore di energia, in quanto il primo si basa su un uso centralizzato in grosse unità, il secondo, invece, ha un ambito di utilizzo più ampio e soprattutto più diffuso. Tuttavia, è lecito pensare che lo sviluppo di questa filiera avrà legami con la filiera predominante odierna. La cella a combustibile è un convertitore elettrochimico che produce elettricità e calore ossidando un carburante e riducendo ossigeno. Il carburante utilizzato può essere gassoso - idrogeno, gas naturale o biogas, ma anche liquido - metanolo, benzina o gasolio. La potenza prodotta può variare da qualche frazione di Watt a qualche Megawatt consentendo applicazioni che vanno dal dispositivo portatile fino all impianto industriale. La filiera idrogeno-energia e le celle a combustibile sono legate fra di loro in quanto complementari ma possono ugualmente essere considerate separatamente e svilupparsi indipendentemente l una dall altra. In effetti l idrogeno non è l unico combustibile utilizzabile in una cella e reciprocamente, la cella a combustibile non è, ad esempio, il solo mezzo per trasformare l idrogeno in calore. 2

33 2.1. Le celle a combustibile Le celle a combustibile funzionano secondo il principio inverso dell elettrolisi dell acqua, utilizzando la reazione fra l idrogeno o un idrocarburo e l ossigeno, reazione che produce elettricità, calore e acqua. A seconda della membrana utilizzata e della temperatura di funzionamento, si distinguono diverse tecnologie. Le tecnologie a bassa temperatura (nella gamma dei C) La cella a combustibile alcalina che utilizza l idrossido di potassio come elettrolita e funziona a idrogeno. La cella a combustibile a membrana scambiatrice di protoni (PEMFC) che utilizza una membrana polimerica e funziona a idrogeno. La cella a combustibile con alimentazione diretta al metanolo (DMFC) che utilizza una membrana polimerica e funziona a metanolo. Le tecnologie ad alta temperatura ( C): La cella a combustibile a carbonati fusi (MCFC) che utilizza un elettrolita a base di carbonati di metalli alcalini e funziona a idrogeno, metano o gas di sintesi a temperature di 650 C. La cella a combustibile ad ossidi solidi che utilizza un elettrolita di materiale ceramico e funziona a idrogeno, metano o gas di sintesi a temperature che vanno dagli 800 ai 1000 C: L insieme di queste tecnologie permette di accedere ad una larga gamma di potenza (dal Watt al Megawatt) coprendo un alto numero di applicazioni: I trasporti: automobili, trasporti collettivi, veicoli industriali per l ingegneria civile, apparecchi di manutenzione, trasporti marittimi e ferroviari. Le applicazioni stazionarie, cogeneratori, dispostivi di soccorso, persino l alimentazione di stand alone Le applicazioni mobili, come generatori o caricatori portatili, per l elettronica per il grande pubblico o i dispositivi portatili, tipo attrezzature. Le applicazioni militari (in relazione alle applicazioni mobili) e aeronautiche tipo i gruppi ausiliari di potenza. Infine se la cella a combustibile è combinata con la produzione d idrogeno da rinnovabili diventa una soluzione sostenibile ed energeticamente vantaggiosa. E in questo ambito che si stanno sviluppando le recenti applicazioni dell idrogeno come strumento di stoccaggio dell energia da integrare ad un sistema di smart grid. Early markets: gruppi pi di continuità e sistemi stand alone I sistemi a fuel cell per applicazioni di back-up (UPS) hanno raggiunto oggi un livello di maturità tecnologica tale da porsi in competizione con le tecnologie convenzionali basate su batterie al piombo o generatori diesel. L adozione massiva dei sistemi a fuel cell in questo mercato richiede però ancora importanti investimenti nello sviluppo del prodotto, al fine di renderlo progressivamente più semplice, più affidabile e soprattutto meno costoso. 3

34 Gli attuali volumi del mercato dei sistemi di back-up è stimato intorno ai 7 miliardi di dollari, mentre il settore green network equipment rappresenta circa il 46% dei 277 miliardi di dollari relativi al mercato delle infrastrutture e telecomunicazioni mondiale atteso per il Lo sviluppo di un generatore di idrogeno fortemente integrato nel gruppo di continuità a fuel cell rappresenta uno dei fattori critici di successo per i sistemi a fuel cell, in quanto consente di eliminare la dipendenza dalle società di gas tecnici per la ricarica delle bombole di idrogeno. La cogenerazione (CHP) In Europa, il settore residenziale è responsabile del 40% del consumo di energia e del 25% delle emissioni di gas a effetto serra ed è quindi in questo contesto che la cogenerazione con celle a combustibile si propone come soluzione vantaggiosa. Nei sistemi CHP, le celle a combustibile ad ossidi solidi (SOFC) sono particolarmente adatte grazie alla loro efficienza di conversione elettrica, al loro rapporto fra elettricità e calore (alta efficienza energetica), all elevata temperatura alla quale il calore è reso disponibile (intorno ai C). Si stima oggi che degli incentivi mirati potrebbero portare ad una sostituzione di 90 milioni di caldaie in Europa entro il 2025 corrispondenti a circa 30GW di capacità energetica. Questo settore, che commercialmente appare promettente e maturo, vede in questo momento l avvicinarsi di numerosi attori, fra cui gli sviluppatori e i produttori di SOFC. Alcuni produttori stanno sviluppando attualmente delle installazioni basate su celle a combustibile alimentate a gas naturale per la fornitura di energia e di calore in contesti residenziali. Il Giappone è sicuramente il paese che ha maggiormente sviluppato, negli ultimi due decenni, la tecnologia SOFC, questo grazie all impegno di un certo numero di imprese private che hanno ottenuto importanti finanziamenti nell ambito dei programmi nazionali destinati alla cogenerazione distribuita celle a combustibile (programma NEDO, ecc ). In Corea del Sud, è stata invece adottata la tecnologia MCFC della Fuel Cell Energy. Importanti programmi sono stati promossi in particolare in Giappone, Germania ed e Europa, con obiettivi ambiziosi e con la volontà per questi paesi di posizionarsi come elementi trainanti del mercato. 4

35 Ene-farm Callux e NP Ene.field durata Paesi coinvolti Giappone Germania Gran Bretagna, Francia, Olanda, Danimarca, Italia, Spagna, Austria, Lussemburgo, Belgio, Slovenia Efficienza a elettrica 30-35% 30-34% >35% Efficienza del sistema 60-80% 80-95% >85%(LHV) N. unità >9.000 Da 800 a Capacità dell unità Tipo Sistema integrato comprendente un sottosistema di fuel cell, bruciatore e serbatoio per Sistema integrato con fuel cell e bruciatori per produrre elettricità, acqua corrente e riscaldare la casa. Combinazione di sistemi integrati e separati. L accumulatore è una parte supplementare del sistema l accumulo di acqua calda. Disegnato per produrre elettricità e acqua calda. L accumulatore è parte supplementare del sistema tecnologia PEM e SOFC PEM e SOFC HT SOFC, IT SOFC, HT PEM e LT PEM Ulteriori informazioni Catena di approvvigionamento Impatto Da pavimento, installazioni da esterno Fornitura all Asia e all Europa dal 2014 L obiettivo è di rendere l industria giapponese il produttore mondiale leader Tab. 1 Confronti tra i diversi programmi Integrazioni in vari sistemi di riscaldamento tedesco. Installazioni da pavimento, a muro e interne Espansione in Germania Parte della strategia nazionale energetica della Germania. Risparmi dell energia primaria, riducendo il GHG. Costruzione di componenti industriali e procedure di sistema Integrazioni in vari sistemi di riscaldamento europei. Installazioni da pavimento, da muro, domestiche o in locali accessori. Espansione in Europa Mettersi in moto per dimostrare che la tecnologia può essere una prospettiva commerciale per il consumatore e per sviluppare la catena di approvvigionamento, tecniche di produzione e supportare le reti necessarie per il lancio pan-europeo 2.2. La produzione d idrogeno Attualmente, il processo più comunemente impiegato per produrre idrogeno è il reforming del metano. Consiste nella produzione di idrogeno e di diossido di carbonio a partire da una reazione fra metano e vapore acqueo e in seguito fra monossido di carbonio e vapore d acqua. Il biogas o altri idrocarburi di recupero possono essere utilizzati come materia prima al posto degli idrocarburi fossili. Il processo è realizzato ad alte temperature (900 C) e ad alta pressione (20-30 bar) in presenza di un catalizzatore di nichel. 5

36 La produzione attraverso reforming sviluppa intorno alle 10 tonnellate di anidride carbonica per ogni tonnellata d idrogeno prodotta. Questo idrogeno può essere considerato pulito solo se la sua produzione è associata al sequestro e allo stoccaggio della CO 2. L elettrolisi dell acqua consiste nel dissociare la molecola dell acqua in un bagno salino producendo idrogeno al catodo e ossigeno all anodo. Gli attuali processi di elettrolisi industriali impiegano membrane di tipo alcalino tecnologia a bassa temperatura mentre si stanno affermando tecnologie con membrane polimeriche (PEM) attualmente ad un primo livello di commercializzazione. L elettrolisi ad alta temperatura che è ancora allo stadio di sviluppo applica lo stesso principio al vapore d acqua e utilizza l energia termica contenuta nel vapore. Nel caso il cui l elettricità utilizzata sia di origine rinnovabile, si parlerà d idrogeno rinnovabile o d idrogeno verde. I cicli termochimici di decomposizione dell acqua, che sono ancora ad uno stadio di sviluppo, consistono in una serie di reazioni chimiche che utilizzano una fonte di calore. La fotolisi, con un principio analogo all elettrolisi, e la produzione di idrogeno per via biologica a partire dalle alghe o da batteri sono anch esse tecnologie in fase di sviluppo. L idrogeno può ugualmente essere co-prodotto in diversi processi chimici (idrogeno secondario) e valorizzato in altri processi. A seconda della quantità che si intende produrre, si possono considerare diversi gradi di centralizzazione o di decentralizzazione della produzione. Per esempio: La produzione centralizzata attraverso il reforming con vapore acqueo, la decomposizione termochimica o l elettrolisi associata alle centrali nucleari o ai parchi eolici off-shore. La produzione decentralizzata basata sulla biomassa (gasificazione o reforming con vapore acqueo) o l elettrolisi associata a una produzione di elettricità rinnovabile di piccola o media potenza. Figura 2: Produzione d idrogeno: maturità delle tecnologie 6

37 Esistono diverse tecnologie per produrre idrogeno da rinnovabili che diventeranno ancor più vantaggiose rispetto a quelle attualmente più convenienti (reforming e gassificazione) nel momento in cui i prezzi dei combustibili fossili e il sovra costo dovuto al sequestro della CO 2 aumenteranno. Figura 3: possibile evoluzione dei costi di produzione d idrogeno Fonte: «The role of Battery Electric Vehicles, Plug-in Hybrids and Fuel Cell Electric Vehicles», Mc Kinsey Stoccaggio, trasporto e distribuzione d idrogeno Per essere utilizzato, l idrogeno deve essere stoccato, trasportato e distribuito. Lo stoccaggio gio può essere realizzato con tre modalità: Lo stoccaggio gio criogenico che consiste nel raffreddare l idrogeno fino al punto di liquefazione (-253 C). Questa soluzione è però molto energivora Lo stoccaggio sotto pressione che riduce il volume di stoccaggio ma implica uno stadio di compressione (meno energivora del raffreddamento). Le pressioni vanno da qualche decina di bar fino a 700 bar. Lo stoccaggio detto solido sotto forma d idruri metallici che permette di stoccare l idrogeno a pressione ambiente e in maniera reversibile. Per il trasporto e la distribuzione, è possibile utilizzare una rete dedicata nel caso di siti di produzione massiva collegati a siti di grande distribuzione. Anche la rete di distribuzione del metano può contenere idrogeno fino al 20% in volume ma questo implica uno stadio di separazione e purificazione a valle. Ad oggi, l infrastruttura logistica più usata resta il trasporto in camion-cisterna ma questo comporta alcune considerazioni in termini di sostenibilità della filiera. 7

38 2.4. L idrogeno nei trasporti L alta densità energetica dell idrogeno ne fa un vettore energia potenzialmente ben adatto al trasporto. L idrogeno è ormai un opzione tecnologica possibile nel settore automobilistico. Figura 4: Ambito di sviluppo e sfide tecnologiche per l utilizzo di sistemi a idrogeno nell auto Fonte: «The role of Battery Electric Vehicles, Plug-in Hybrids and Fuel Cell Electric Vehicles», Mc Kinsey 2011 In effetti, i progressi tecnologici eh industriali hanno a loro volta permesso di aumentare i rendimenti e la competitività dei veicoli a celle di combustibile. In particolare: La possibilità di stoccare l idrogeno a 700 bar ha permesso di portare l autonomia di questi veicoli allo stesso livello dei veicoli convenzionali. Sistemi innovativi hanno permesso l avviamento a freddo Un importante diminuzione del carico di catalizzatori nobili ha considerevolmente migliorato la competitività della soluzione. Inoltre, una riduzione dei costi e una maggiore competitività dell idrogeno è prevedibile nel prossimo futuro grazie a normative più stringenti ed al passaggio alla produzione industriale di veicoli oggetto di progetti di dimostrazione. L obiettivo fissato per il 2015 è una produzione di qualche centinaia di migliaia di veicoli. Il prossimo traguardo è la diffusione delle infrastrutture di approvvigionamento, come ad esempio e l iniziativa portata avanti dal partenariato pubblico privato H2Mobility. 8

39 Figura 5: Prospettive emissioni CO2/autonomia per le tecnologie a batterie, ibride e celle a combustibile Fonte:. «The role of Battery Electric Vehicles, Plug-in Hybrids and Fuel Cell Electric Vehicles», Mc Kinsey Autobus e trasporti pubblici Il Multi Annual Implementation Plan (MAIP) della FCH JTI prevede un importante diffusione dei bus alimentati a idrogeno a partire dal I bus per il trasporto pubblico potrebbero rappresentare il mezzo più efficace per una più rapida adozione della tecnologia a FC per le ragioni seguenti: I bus hanno minor restrizioni in termini di peso, di spazio e di costi, rispetto agli altri veicoli per il trasporto privato di passeggeri. I bus rientrano alla autostazione dei terminal tutte le sere e possono quindi essere riforniti di carburante, semplificando l installazione delle infrastrutture capillari. La distribuzione a intere flotte di autobus a idrogeno richiederebbe infrastrutture capaci di fornire importanti quantità di gas, incentivando e favorendo la creazione di una infrastruttura di distribuzione; un altra condizione critica per il passaggio alla commercializzazione. Essendo i veicoli in costante contatto con il pubblico sarebbe possibile accrescere la familiarità del pubblico oltre che la conoscenza e l accettazione di questa tecnologia. I bus per il trasporto pubblico sono gestiti da personale tecnico specializzato, permettendo così di dimostrare in sicurezza e più facilmente l efficienza operativa. Su queste basi, a seguito delle prime importanti sperimentazioni avvenute in Europa fin dal 2002, si sono avviati negli ultimi anni alcuni progetti di dimostrazione che vedono la partecipazione di industrie costruttrici di autobus, società di trasporto pubblico e il finanziamento da parte di regioni, governi nazionali e programmi europei. 9

40 I progetti principali, sostenuti dalla JTI europea FCH, hanno come obiettivo un significativo passo avanti verso la commercializzazione e propongono target prestazionali ed economici finalizzati ad un ingesso sul mercato delle prime flotte. A livello europeo, i principali player industriali impegnati nello sviluppo di autobus a fuel cell sono EVOBUS (Daimler), Van Hool, Wright Bus e APTS a cui si aggiungono esperienze di altri operatori su scala più locale e meno prossima al prodotto. A livello di aree geografiche, le migliori esperienze sono ancora in Germania, con particolare riferimento alle aree di Amburgo, Berlino e dell area North-Rhein Westfalia, a cui si aggiungono i rapidi progressi di Londra e le città coinvolte nei progetti dimostrativi seguenti: CHIC (più di 50 autobus) con fornitori EVOBUS, Van Hool e Wright Bus a fornire di autobus le città di Oslo, Milano, Bolzano, San Gallo/Aarau e Londra HYVLOCITY (15 autobus) con fornitore Van Hool nelle città di Sanremo, Oslo e nella regione delle Fiandre Altre principali aree di dimostrazione sono localizzate nell area North Rhein Westfalia (Colonia), mentre recentemente si sta sviluppando il progetto della flotta di autobus a fuel cells di Aberdeen (12 veicoli). Veicoli speciali Attualmente le macchine operatrici ad alimentazione elettrica sono considerate una valida risposta alla domanda di libera circolazione ed operatività soprattutto negli ambienti chiusi. In altre parole, almeno per il prevedibile futuro, esse rappresentano l unica soluzione che consente una operatività con assenza di emissione di inquinanti diretta e, pertanto, in grado di garantire il soddisfacimento delle sempre più stringenti regolamentazioni in termini di salvaguardia della salute degli operatori negli ambienti di lavoro. Ciononostante, le macchine a propulsione elettrica presentano limiti connessi allo stoccaggio ed al trasporto di energia a bordo che, di fatto, ne limitano l autonomia, oltre alla disponibilità della macchina e, quindi, la diffusione su larga scala. In tale contesto, soprattutto quando i quantitativi di energia gestiti diventano rilevanti, la soluzione oggi disponibile basata sull utilizzo di accumulatori elettrochimici (batterie) non può essere considerata che transitoria (sebbene l unica attualmente praticabile) e, comunque, limitativa per pesi, ingombri, costi e durata delle batterie. La soluzione basata sull utilizzo di una pila a combustibile (Fuel Cell - FC) alimentata ad idrogeno, è oggi ritenuta fra le più promettenti per il superamento di detti limiti. Essa consente di estendere il campo di applicazione della propulsione ad emissioni nulle, favorendo nel contempo un uso efficiente dell energia Le infrastrutture di distribuzione Se la presenza di veicoli a pile a combustibile è già una realtà in molti paesi europei, le infrastrutture di distribuzione devono ancora essere realizzate. I costi delle infrastrutture per i veicoli a idrogeno sono considerati al pari di quelle della ricarica elettrica (ossia da a euro/veicolo). La sostenibilità economica dei veicoli ad idrogeno è prossima, ma resta da risolvere il problema delle infrastrutture di distribuzione. Una stretta sincronizzazione fra i diversi elementi della catena sarà richiesta per limitare il rischio iniziale, questa però dovrà essere accompagnata da un forte 10

41 coordinamento tra i governi e il contesto legislativo e finanziario. In effetti, un tasso di utilizzazione insufficiente delle infrastrutture dovuto ad un numero troppo basso di veicoli penalizzerebbe economicamente lo sviluppo della rete di distribuzione. Primi stadi dello sviluppo Le stime del programma TEN-T, collocano a 1500 Md di euro il costo delle infrastrutture adattate alla domanda di trasporto per il periodo (500 Md euro fino al 2020). L unione europea sostiene lo sviluppo del programma TEN-T attraverso diversi tipi di finanziamenti, fra cui il Fondo di Coesione, il Fondo di sviluppo regionale e la Banca Europea per l investimento. La diffusione dell infrastruttura a idrogeno per il trasporto è presa in considerazione nel CEF (Connecting Europ Facility) allo stesso modo come le infrastrutture energetiche e numeriche. I principali corridoi identificati riguardano l Europa del Nord e la Gran Bretagna. La strategia globale punta prima di tutto alla distribuzione delle infrastrutture locali per passare progressivamente a delle interconnessioni fra i centri urbani. 11

42 2.5. Specificità delle tecnologie a idrogeno La filiera dell idrogeno coinvolge sia il settore energetico che l industria del gas per quanto riguarda la produzione dei componenti, la loro integrazione e la loro gestione e manutenzione. Gli impianti di produzione dell idrogeno sono simili alle centrali di produzione elettrica e termiche con alcune specificità proprie dell idrogeno. Il cuore dell elettrolizzatore della cella è un insieme di membrane scambiatrici di protoni (polimeri o ossidi metallici) circondate da elementi conduttori elettrici e da collettori di distribuzione di gas. La tenuta del sistema, in relazione alle fughe di combustibile eossigeno, deve essere garantita a determinate temperature di funzionamento. Per questo motivo, il settore chimico, metallurgico e della ceramica sono sollecitati allo sviluppo di nuove soluzioni tecnologiche per risolvere queste problematiche nelle pile a combustibile dette anche stack per via dell impilamento di molteplici elementi attivi. Allo stack sono integrati i sistemi di alimentazione del gas oltre che i sistemi di regolazione termica e elettrica. Si tratta di sistemi per la gestione dell elettronica di potenza, di controllo, gli scambiatori termici, i dispositivi di purificazione del gas, ecc. Il costo d investimento di una cella a combustibile può variare dai ai euro per kw e dipende in particolar modo dalle caratteristiche della strumentazione accessoria Contesto normativo La normativa vigente è stata concepita sugli usi tradizionali dell idrogeno nell industria chimica. Si tratta di una normativa ancora mirata ad applicazioni di grande dimensione. In Francia, la normativa generale sull idrogeno è relativa anche a prodotti infiammabili ed esplosivi. La situazione francese Il codice ambientale inserisce qualsiasi impianto che usa idrogeno sotto le disposizioni delle Installations classées pour la Protection de l Environnement (ICPE) questo perché fino a poco tempo fa, la produzione di idrogeno era assicurata da unità di reforming specifiche di grandi impianti chimici o petrolchimici. La normativa riguardante lo stoccaggio dipende dalle quantità: per meno di 100 kg non è necessaria nessuna dichiarazione, da 100 kg a una tonnellata, una dichiarazione semplice, per più di una tonnellata, si richiede una autorizzazione. Si stanno comunque valutando modifiche alla normativa in modo da poter gestire nel miglior modo i nuovi utilizzi e in particolare quelli legati alla produzione decentralizzata (piccolo reforming o piccoli elettrolizzatori). Per quanto riguarda invece i veicoli, questi devono essere sottoposti a omologazione. In Francia, i veicoli si sono sviluppati fino ad ora in ambiti privati e la prima omologazione ha avuto luogo nel dicembre

43 La situazione italiana Oggi la legislazione in vigore in Italia è la seguente : Decreto Ministeriale del 16 febbraio 1982 concernente la determinazione delle attività soggette alle visite di prevenzione incendi. Decreto Ministeriale del 24 novembre 1984 concernente le norme di sicurezza antincendio per il trasporto, la distribuzione, l'accumulo e l'utilizzazione del gas naturale con densità non superiore a 0,8. Decreto Ministeriale del 31 agosto 2006, concernente l'approvazione della regola tecnica di prevenzione incendi per la progettazione, costruzione ed esercizio degli impianti di distribuzione di idrogeno per autotrazione. Nel 2009, è stato presentato in Commissione Trasporti della Camera dei Deputati un Progetto di legge (Boffa-Alfano) "Misure per il sostegno dello sviluppo di sistemi di mobilità ad alta sostenibilità con impiego di idrogeno e carburanti ultrapuliti di nuova generazione di origine biologica". (Regolamento CE sui veicoli ad idrogeno). La proposta di Legge per ora ancora allo studio avevo lo scopo di promuovere interventi di filiera per lo studio e per la realizzazione: a) di sistemi per la produzione, lo stoccaggio e la distribuzione di idrogeno prodotto con ausilio di energia solare o altra fonte di energia rinnovabile; b) di sistemi per la produzione, lo stoccaggio e la distribuzione di combustibili ultrapuliti di nuova generazione di origine biologica; c) di prototipi di veicoli alimentati da idrogeno o da combustibili ultrapuliti di nuova generazione di origine biologica; d) delle procedure di omologazione per i veicoli di cui alla lettera c); e) di reti di monitoraggio intelligente finalizzate al controllo dell efficienza e della sicurezza dei veicoli. f) di posteggi esclusivi per i veicoli muniti di stazioni di controllo e di ricarica. Con il Decreto 31 agosto 2006, in Italia si hanno le prime norme volte a regolare fini della prevenzione degli incendi e alla salvaguardia delle persone e alla tutela dei beni, costruzione ed esercizio degli impianti di distribuzione di idrogeno per autotrazione che però si focalizza unicamente sulle ubicazioni escluse per tali impianti. Dal 2006 non vi sono stati aggiornamento o integrazioni su questo tema. Descrizione delle procedure per ottenimento omologazione in seguito a collaudo in unico esemplare di veicoli a Fuel Cell funzionanti ad idrogeno. Questo tipo di procedura è quella più adatta per i veicoli prototipali o comunque quei veicoli che non sono ancora in mass production Al fine di essere considerato idoneo alla circolazione stradale, ciascun veicolo deve essere sottoposto a visita e prova - un insieme di controlli tecnici e documentali che l'autorità (o l'organo competente) deve svolgere per garantire la sicurezza quando il veicolo viene utilizzato - dal Ministero delle Infrastrutture e dei Trasporti (Dipartimento dei Trasporti Terrestri Centro Prove Autoveicoli) o da un ente certificatore dell'unione europea, come ad esempio il Tüv. L'omologazione permette al costruttore di realizzare una serie di autoveicoli identici al prototipo provato; ciascuno degli esemplari prodotti potrà quindi essere immatricolato direttamente con i documenti forniti dalla ditta. L azienda che intende omologare il veicolo dovrà produrre all atto della domanda, tra le altre cose, una relazione tecnica molto dettagliata sulla verifica progettuale della conversione del veicolo originario in fuel cell ad idrogeno, in cui si descriverà il veicolo di partenza (caratteristiche, dimensioni, pesi, ), i sistemi ed i 13

44 componenti aggiunti al veicolo base (Fuel Cell e relativi ausiliari del Fuel Cell System), trazione elettrica e batterie di trazione, la progettazione delle modifiche e la trasformazione del veicolo secondo progetto ed il sistema di controllo del sistema completo. Tale relazione dovrà contenere tutte le modifiche effettuate al veicolo originario in modo poter valutare le prove/verifiche che sarà necessario eseguire sul veicolo trasformato per ottenere l omologazione Gli attori principali e i programmi di incentivazione del settore Benché la tecnologia della cella a combustibile non rappresenti che una parte della problematica idrogeno-energia, la vision dei grandi player internazionali nonché i programmi nazionali di incentivazione e le esperienze sviluppate dai partenariati pubblico-privati possono portare del valore aggiunto ed argomentare il dibattito in modo costruttivo. Il Giappone e gli Stati Uniti sono i maggiori attori nello sviluppo delle celle a combustibile, seguiti quindi dall Europa, questa ben presto tallonata dalla Cina e dalla Corea. In Giappone, le celle a combustibile per il residenziale sono commercializzate dal 2009 e più di 5000 unità sono in fase di realizzazione attraverso un meccanismo di finanziamento di 75 M di dollari. Dimostrazioni di città a idrogeno sono state lanciate e sia lo stato che gli attori industriali del settore energetico sostengono l insediamento delle stazioni di servizio di idrogeno. Gli Stati i Uniti sono oggi leader nel settore dei mezzi di manutenzione per l idrogeno in seguito a incitamenti che hanno condotto ad una quota di mercato del 2%. Il DoE ha finanziato con 170 M$ lo sviluppo, le dimostrazioni e la commercializzazione di programmi di sviluppo delle celle a combustibile. La Cina ha investito a oggi 2,8 Md di dollari nella ricerca e sviluppo delle celle a combustibile e nelle relative infrastrutture. La Corea del Sud presenta dei programmi di sostegno per la cogenerazione a celle a combustibile, il Piano strategico della città di Seoul infatti prevede che nel 2030 il 47% della produzione energetica provenga da celle a combustibile. Figura 7 Investimenti nelle tecnologie a celle a combustibile 14

45 I mercati Storicamente il mercato dell idrogeno industriale era di circa 40 Md di euro. La sua crescita annuale è nell ordine del 10% ed è collegato alla regolamentazione sui carburanti e all aumento della produzione di biocarburanti. Oggi, il mercato delle celle a combustibile per applicazioni stazionarie è ad uno stadio commerciale ma le numerosi applicazioni dell idrogeno lasciano intravedere diversi altri mercati a medio e lungo termine. Tabella 2: Mercato dell idrogeno e stadio di penetrazione del mercato Mercati Idrogeno senza CO 2 per l industria Equilibrio rete di utilizzo H 2 verde Celle a combustibile stazionarie Celle a combustibile nomadi Celle a combustibili mercato automobilistico Fatturato 100 G euro G euro 10 G euro G euro 100 G euro annuale potenziale mondiale Scadenza Da 5 a 10 anni Da 5 a 10 anni Immediato Inizio Da 5 a 15 anni Fonte: Stime nel 2010 della piattaforma HyPAC Tabella 3: Due proiezioni dei mercati delle tecnologie a idrogeno PEMFC stazionario MCFC,AFC,SOFC stazionario PEMFC, DMFC mobile Trasporti PEMFC Trasporti SOFC Generazione di energia fuori dagli schemi(telecomunicazioni); micro- CHP per applicazioni domestiche e commerciali(hotel e ospedali); energia di prima qualità; energia di back-up Produzione di energia su larga scala +CHP Monitoraggio remoto delle unità; caricatori per le batterie esterni; elettronica di consumo (laptop, smart phones), applicazioni militari LDV, autobus, movimentazione di materiali, veicoli aerei senza equipaggio APU (autocarri, veicoli per attività ricreative Fonte: PikeResearch, 2011; Fuellcell Today, 2011 spedizioni globali del unità (45%), delle quali più di 5000 (domestiche) in Giappone 63 MW dei quali più di 20 MW in Corea del Sud 22% delle unità Bassi MW 33% delle unità 27 MW Totale 90 MW; unità Previsione di mercato 9.5 miliardi di dollari (2017) 2,8 miliardi di dollari (2017) LDV (2020) 15

46 3. Le Giornate Tenerrdis sull Idrogeno: i messaggi chiave 3.1. L economia dell idrogeno La crescita demografica e lo sviluppo dell attività umana mostrano chiaramente che la domanda di energia è in aumento. Figura 8: Tendenze del bisogno di energia Di fronte a questa evidenza, l attuale contesto che vede un mix energetico basato su risorse fossili non è sostenibile nel lungo periodo in quanto le emissioni di CO 2 ad esso connesse sono troppo elevate (solo un quarto della produzione mondiale è prodotta da rinnovabili o compensato con il meccanismo della CCS). Tuttavia anche le tecnologie di produzione dell'energia cosiddette sostenibili devono essere analizzate in termini di riciclaggio dei materiali, energia grigia, rifiuti prodotti, ecc 16

47 Figura 9 Sfide per un futuro con energia mista Le energie rinnovabili rappresentano una delle possibili opzioni tecnologiche per la riduzione delle emissioni di CO 2 e sono meno legate alla volatilità dei prezzi delle energie fossili. Figura 10: Il potenziale delle energie rinnovabili L idrogeno fa parte del mix energetico del futuro in quanto può intervenire nel settore dell energia come mezzo di assestamento fra l offerta e la domanda, a livello dell'ecosistema e a livello dei trasporti oltre che a livello industriale essendo questo il principale consumatore. Tutti i maggiori settori collegati alle emissioni di CO 2 sono dunque coinvolti. Per questo motivo, la filiera dell idrogeno deve essere potenziata verso un miglioramento dell efficienza (in senso ampio, produzione, conversione) e verso una produzione che utilizzi risorse a basso contenuto di carbonio. 17

48 La filiera dell idrogeno è oggi oggetto di numerose e crescenti attività di sviluppo e dimostrazione e rappresenta una delle tematiche chiave nei poli di competizione sulle energie rinnovabili. I quesiti odierni sono rivolti più che altro alle azioni da realizzare per promuovere la filiera e soprattutto indirizzare le imprese verso i mercati più promettenti e di prossimo sviluppo. Le amministrazioni pubbliche francesi e le associazioni professionali hanno identificato alcuni campi d azione ed hanno predisposto i primi strumenti verso cui orientare investimenti futuri ma ciò che è necessario prevedere fin da ora è la strutturazione della filiera e la modalità di aggregazione delle competenze attorno ad essa. La visione dell investitore d I Venture Capital investono nell idrogeno in quanto vari parametri coincidono: Una popolazione mondiale in aumento quindi una richiesta di energia in crescita L incidente di Fukushima e l arresto del nucleare in Germania pongono per primo il bisogno di un mix energetico a basso contenuto di carbonio La diminuzione delle risorse fossili e soprattutto l aumento dei prezzi E il momento di investire nell idrogeno in quanto: Il mercato è al decollo ( unità di PAC vendute nel Il tasso di crescita è del 115% fra il 2011 e il Il mercato di 1,6 Mds nel 2016) Numerosi attori sono in aumento e anticipano la catena del valore: (Ballard, Hydrogenics, Proton, Plugpower, McPhy, CETH, Acal Energy, Air Products, Air Liquide, Linde) Si arriva alla fase d industrializzazione che rappresenta la più grande sfida Infine esistono diversi segmenti del mercato, gruppi di soccorso, stand alone, stoccaggio delle ENR, mobilità, cogenerazione ecc.. Figura 11: I diversi segmenti del mercato dell idrogeno Figura 11: I diversi segmenti del mercato dell idrogeno 18

49 3.2. L idrogeno come vettore di stoccaggio e di servizio della rete L accoppiamento dell idrogeno alla rete energetica può realizzarsi attraverso due approcci: Secondo il metodo stoccaggio/rilascio Diluendo l idrogeno nel gas naturale e utilizzando la sua rete di trasporto Il primo approccio non ha ancora trovato il suo modello economico né una catena di valore comprovata. L idrogeno ha difficoltà a trovare il suo ruolo come mezzo di stoccaggio dell energia attraverso i molteplici sistemi di stoccaggio dell energia, e questo, malgrado l esperienza dell idrogeno industriale. Figura 12: L economia dello stoccaggio elettrico Tuttavia, esistono dei segnali positivi: La realizzazione d Hydrogenics in America del Nord con un modello economico che funziona. La distribuzione dell abbinamento elettrolizzatore/energia rinnovabile sta cambiando, per esempio per la micro-idraulica che si trova in uscita la prezzo di acquisto. Alcune dimostrazioni sono in fase di realizzazione come il progetto MYRTHE per l abbinamento con il fotovoltaico Infine, i componenti, PAC e elettrolizzatori sono a maturazione e l offerta tecnologica offre delle soluzioni complementari (per esempio l elettrolisi PEM o l elettrolisi alcalina). E arrivato il momento per mettere in opera ciò che si rende necessario per l abbattimenti dei prezzi. Si punta, guardando il 2014, a dividere per 5 il costo, questo obiettivo è stato definito in relazione alle tecnologie diesel e alle batterie. Questa caduta dei prezzi è perfettamente possibile sia secondo il parere degli attori industriali che secondo quello degli attori della ricerca tecnologica. 19

50 Un certo numero di dimostrazioni sono in corso attualmente per valutare l utilizzo delle energie rinnovabili abbinate allo stoccaggio di idrogeno nel caso di installazioni isolate. Senza prevedere completamente ciò che potrà essere l integrazione delle energie rinnovabili nella rete attraverso il vettore idrogeno, queste apporteranno degli elementi importanti e soprattutto dimostreranno che la tecnologia a idrogeno è in una posizione concorrenziale rispetto all utilizzo del diesel. Figura 13: Potenziale dell idrogeno nelle applicazioni stand alone Per concludere, esistono tecnologie a idrogeno sufficientemente mature per contribuire all integrazione delle energie rinnovabili nella rete dandole comunque valore. Lo stoccaggio via idrogeno può dare alle energie rinnovabili la flessibilità che non hanno a causa soprattutto della loro intermittenza. Queste tecnologie rappresentano una reale opportunità nella valorizzazione delle energie rinnovabili. Figura 14: Modello di valorizzazione delle energie rinnovabili attraverso lo stoccaggio Per quanto riguarda la diluizione dell idrogeno nel gas naturale, l interesse è sicuramente quello di beneficiare dell infrastruttura esistente e di ridurre gli investimenti. In effetti, la Francia dispone della più grande rete europea ( km in alta pressione, km di 20

51 distribuzione, 13 stazioni di stoccaggio sotterraneo, 11 milioni di utenti) ossia un valore di 100 miliardi di euro. L iniezione di idrogeno non è ancora una realtà economica ma le dimostrazioni evidenziano che può essere spinta senza preoccupazioni sulla sicurezza fino al 20% in volume (la normativa attuale prevede il 10%). Alcune utilizzazioni sono già state testate positivamente (caldaie), lo stoccaggio sottoterra e le tecnologie di compressione devono essere ancora validate in caso si preferisca evitare le soluzioni d iniezione a valle La produzione di idrogeno rinnovabile o basso tenore di carbonio La produzione di idrogeno dirige il mercato maturo dell idrogeno industriale e il mercato emergente dell idrogeno energia crescendo del 7% all anno. Il reforming assicura il 96% della produzione al prezzo di 2-3 % delle emissioni di CO 2 mondiali. L elettrolisi Cloro-Soda assicura il 3,5% e l elettrolisi dell acqua lo 0,5%. Il costo dell idrogeno è dunque condizionato dal costo del gas e dal costo dell elettricità. Figura 15: posizionamento delle diverse tecnologie di produzione dell idrogeno Attualmente, la maggior parte della produzione è realizzata dagli stessi utilizzatori e per le industrie del gas (fonte AirLiquide); il modello economico di crescita consiste da un lato nella ricerca di soggetti industriali che non desiderino più realizzare questa produzione, dall altro lato, nell apertura di nuovi mercati, in particolare l elettrificazione di installazioni isolate o mal servite. Secondo Air Liquide, passare all idrogeno verde (valorizzazione di impianto solari, eolici, reforming di biogas) è possibile nel momento in cui una carbon-tax permetterà i primi investimenti che potrebbero essere utilizzati sia per lo sfruttamento del rinnovabile e per il sequestro di CO 2. 21

52 L elettrolisi alcalina è più progredita dell elettrolisi PEM, questa inoltre è più onerosa a causa dei materiali utilizzati. L elettrolisi alcalina si adatta bene per la produzione a ciclo continuo, ma è più sensibile alle variazioni di pressione e alle variazioni di alimentazione elettrica. Per questo motivo, la tecnologia PEM ha un potenziale maggiore in particolare abbinata alle risorse energetiche a intermittenza (PV o eolico). Figura 16: Confronto delle tecnologie di elettrolisi L elettrolisi ad alta pressione è ancora ad uno stadio di sviluppo a causa della problematica dei materiali usati. Questo sviluppo deve essere finalizzato in ragione del buon rendimento della tecnologia, delle buone prospettive che offre in termini di durabilità e della possibilità di realizzazione dei sistemi reversibili. Il fatto che le tecnologie di produzione di idrogeno verde siano arrivate a maturità in ambito industriale non significa obbligatoriamente che abbiano un impatto economico. Due quesiti sono alla base di questa affermazione: a partire da quale momento l elettrolisi diventa competitiva rispetto al reforming quale valorizzazione delle ENR porta all abbinamento con la rete idrogeno (tenendo conto dei casi particolari delle reti insulari). Per un esperto nel settore energetico, il mercato è ancora crescente (prospettiva di 10 anni) o di nicchia. Inoltre questo esperto sarà poco incline a investire su mercati deboli. Per trovare un profitto nella prossima decade, è necessario prevedere dei mercati ad alto valore aggiunto, come: lo stock per la rete insulare come misura complementare degli STEP e delle batterie Sodio-Zolfo. Impiego di soccorso e stand alone: ripetitori, micro-grid per l autosufficienza. Per il trasporto sul mercato dei parchi di veicoli vincolati. 22

53 D altronde, la produzione di idrogeno verde deve essere messa di fronte ad altre possibilità: Quella dell idrogeno secondario (sottoprodotto di un processo industriale), in quanto si può stimare a 1,2 milioni il numero di veicoli che potrebbero essere alimentati in Europa dall idrogeno secondario. Il costo degli idrocarburi, all incirca 1,4 euro/litro ad oggi deve ravvicinarsi all obiettivo 2013 del programma H2 Mobility di 9 euro/kg ossia ad un costo del gasolio di circa 1,75 euro/litro (senza tasse) L impatto di una carbon-tax è favorevole all idrogeno verde, ma, è necessario andare verso degli investimenti di grandi dimensioni per ottenere degli effetti di abbattimento dei costi dei volumi, investimenti problematici nella crisi economica attuale Automobili e trasporti La dipendenza energetica e la pressione ambientale sono i motivi che spingono a rimpiazzare il petrolio nei trasporti; e la cella a combustibile o le soluzioni d ibridazione che includano la cella a combustibile sono delle soluzioni sulle quali l attività è fortemente attiva nell ultimo decennio. L inserimento della cella a combustibile nei trasporti si pone all incrocio di due problematiche: La problematica veicolo, quale tecnologia o quale ibridazione scegliere a seconda del tipo di veicolo e del suo uso La rete di distribuzione d idrogeno e a minor importanza, la sua produzione, centralizzata o decentralizzata. Figura 17: I tre livelli di integrazione delle pile a combustibile nei trasporti Per quanto riguarda i veicoli, lo sforzo della Ricerca e Sviluppo è stato considerevole, infatti oltre alla presenza di numerosi dimostratori si è, in questo momento, allo stadio delle scelte industriali e di mercato. Gli annunci di commercializzazione iniziano ad apparire, per esempio, la Classe B Fuel Cell di Daimler per il Anche la roadmap dell industria automobilistica prevede piccole serie (

54 veicoli/anno) per il 2014/2015, una produzione di massa ( veicoli/anno) prevista invece per il 2018/2020. In vista del 2015, due strade possono essere intraprese: veicoli elettrici a celle a combustibile destinati ai mercati di nicchia o veicoli a batterie utilizzando celle a combustibile per prolungare l autonomia; in tutti i casi, gli imperativi sociali (sicurezza ed ambiente) devono essere soddisfatti. L altro punto importante riguarda la creazione stessa dei veicoli. Per raggiungere la competitività richiesta, bisognerebbe anche riprogettare i veicoli in funzione del loro gruppo propulsore e aumentare l integrazione delle funzioni. Costruttori, strategie diverse Per PSA, lo stimolo principale è la riduzione dei gas a effetto serra. PSA sviluppa un insieme di tecnologie per migliorare i veicoli classici senza creare discontinuità tecnologiche e prevede inoltre soluzioni d ibridazione fra cui le celle a combustibile che considera alla pari delle altri soluzioni. PSA, tenendo conto dei veicoli a piccola taglia che produce, privilegia una strategia basata sui veicoli elettrici, potendo infatti ricorrere eventualmente alla cella a combustibile come prolungatore di autonomia e non come propulsore principale. L obiettivo di mercato a cui mira è il veicolo urbano o peri-urbano o ancora ai veicoli utilitari leggeri. Toyota si pone in una posizione diversa dai costruttori francesi in quanto punta a mettere a disposizione del mercato veicoli sostenibili a zero emissioni. La scommessa dell ibrido è stata fatta 10 anni fa con lo sviluppo della Prius. L obiettivo ora è di avanzare sulla strada dei veicoli elettrici che siano ibridi a batteria o a celle a combustibile. Tutti i settori di mercato dell elettromobilità sono indirizzati, dai piccoli veicoli unicamente elettrici per uso esclusivamente urbano con poca energia a disposizione fino ai veicoli esclusivamente a celle a combustibile per le applicazioni a forte carico o a lunga percorrenza. In questa strategia, i veicoli ibridi si situano al centro delle due estremità. Toyota stima che in Francia, i veicoli elettrici a batteria beneficeranno di un sostegno ma che tutta una parte di mercato non sarà considerato, in particolare quello riguardante gli ibridi. Figura 18 Roadmap della Toyota per il veicolo pulito Le infrastrutture, produzione di idrogeno e rete di distribuzione, sono il secondo fattore che condiziona lo sviluppo dalla mobilità a idrogeno. Oggi è risaputo che è tecnicamente possibile distribuire l idrogeno per le applicazioni di mobilità. In questo contesto l esperienza della Germania 24

55 che ha sviluppato l iniziativa H2 Mobility di cui Total è partner, dimostra che è possibile raggiungere per il 2020 degli obiettivi fondamentali (500 stazioni di riempimento con una logistica di approvvigionamento). Questa esperienza pone ugualmente l accento sugli ostacoli legati in particolar modo ai rischi di sotto utilizzo delle stazioni e della necessità di standardizzare e omologare i dispositivi di distribuzione delle stazioni. La questione dell approvvigionamento di idrogeno viene posta ma considerata di minor importanza, esistono infatti a quanto pare, le capacità e possono essere utilizzate come l idrogeno secondario. Nonostante ciò, la scelta fra approvvigionamento centralizzato e decentralizzato può ugualmente influenzare l equazione economica. Figura 19: Infrastrutture a idrogeno, l eccezione francese. In conclusione, lo sviluppo dei veicoli e quello delle infrastrutture sono assolutamente correlati, infatti, un minimo di veicoli è necessario per giustificare la realizzazione delle infrastrutture. In questo contesto, l esempio della Francia presenta un forte divario rispetto al resto dell Europa. In Europa esiste, difatti, una strada nord sud dell idrogeno che evita la Francia. Inoltre l industria automobilistica francese fa una scelta piuttosto orientata sul veicolo elettrico e i costruttori francesi sono in ritardo riguardo alla pre-industrializzazione delle tecnologie a celle a combustibile Gruppi elettrogeni e cogenerazione Rispetto ai gruppi elettrogeni convenzionali, le celle a combustibile presentano dei vantaggi a livello del loro utilizzo: La elevata efficienza Le emissioni di CO 2 sono basse Le emissioni di ossido di azoto sono quasi nulle Il funzionamento è silenzioso (fanno eccezione alcuni accessori) 25

56 Figura 20: gruppi elettrogeni e cogenerazione: qualche sfida Per i motivi sopra citati e anche grazie a misure incitative verso il Giappone e gli Stati Uniti, il settore stazionario è l applicazione che ha stimolato maggiormente il mercato delle celle a combustibile, in particolar modo, per le celle associate alla cogenerazione elettricità/calore. Il problema nelle applicazioni residenziali fa intervenire vari parametri fra cui il grado di isolamento termico degli immobili e la natura della richiesta del cliente, principalmente elettricità o calore ed eventualmente raffreddamento. D altra parte, a seconda del tipo di immobile e di operazione (ricostruzione o immobile RT2012), la richiesta varierà in maniera considerevole. La scelta tecnologica è prima di tutto collegata a questi fattori, in particolare la temperatura di funzionamento. Oggi la PEM ha dimostrato di essere flessibile ma i riscontri pratici inducono a valutare altre tecnologie. Quando si aumenta la temperatura, i costi aumentano e le turbine o i motori possono essere più economici. I sistemi SOFC hanno il vantaggio di un alto rendimento ma hanno ancora un costo elevato. D altronde, gli aspetti del ciclo termico diventano critici in particolar modo negli immobili BBC a bassa richiesta di riscaldamento. Anche se, paradossalmente, i vecchi immobili sono più facili da gestire e il modello economico è più favorevole. L alimentazione a gas è ugualmente un criterio da considerare nella scelta della filiera. Infatti, il gas naturale non contiene solamente metano, la qualità del gas non è stabile (a seconda delle zone di produzione) e, anche il caso del biogas è particolare. D altronde, non esistono ad oggi standard europei sulla qualità del gas, le norme sono quelle degli stati. 26

57 Figura 21 Gruppi elettrogeni e cogenerazione: qualche sfida L esempio giapponese Il Giappone attraverso un programma di sostegno ha considerevolmente spinto lo sviluppo della cella a combustibile per le applicazioni domestiche con un attenzione particolare alla micro-cogenerazione sistemi sono già stati installati e sono previsti a breve termine. A raffronto, solo qualche centinaia sono previste in Germania. Le ragioni della performance giapponese devono essere ricercate nell alto costo dell elettricità, nella qualità mediocre della fornitura elettrica che punta a cercare produzioni locali. La coscienza sociale rispetto all economia di risorse è ugualmente un parametro da tenere in considerazione. Figura 22: Cogenerazione: qualche sfida 27

58 3.6. Applicazioni portatili Il mercato delle attrezzatture portatili associato all idrogeno sta emergendo, inoltre esistono numerose opzioni da sviluppare per ogni elemento della catena di valore; purtroppo però non sono ancora stati individuati dei modelli economici. Contrariamente ai settori come quello della produzione di idrogeno o della mobilità, per i quali le politiche industriali hanno un influenza predominante, nelle tecnologie portatili è più vicina alla necessità e quindi influenzata dalle necessità dell utente. Innanzitutto il numero degli ambiti da esplorare è considerevole, grande pubblico o professionisti, grande gamma di potenza dedicata, esigenze ben mirate come il settore militare. Inoltre, si pone anche il problema dell integrazione di questa tecnologia nelle applicazioni portatili per avvicinarsi al modello batteria. Infatti, se questa è concepibile (e richiesta dall utente) per piccole potenze, non è detto che sia per forza auspicabile né realizzabile per le potenze più elevate. Un altra questione aperta, è la scelta fra batteria ricaricabile o usa e getta; quest ultima è considerata migliore dall utente in quanto assicura una maggiore sicurezza di approvvigionamento. Infine, la logica che consiste nel cominciare dai mercati di nicchia prima di attaccare i mercati di massa, non è per forza legata al mercato delle attrezzature portatili. L ultimo punto riguarda i propositi commerciali e le esigenze di mercato. Fra il techno-addict, per il quale l oggetto in quanto tale è il fine e ha una funzione caratterizzante, e l utente militare che considera in primo luogo la sicurezza nella fornitura di energia, esiste tutta una lista di motivazioni diverse. La performance potrebbe essere l obiettivo per alcuni utenti (autonomia di attrezzature portatili per esempio), ma la facilità di utilizzo sarà probabilmente preponderante per le applicazioni del grande pubblico. La coscienza ecologica che può essere la motrice su altri mercati, non è per il mercato del nomadismo il traguardo principale. La rete commerciale di distribuzione d idrogeno si differenzia totalmente dalle infrastrutture che saranno invece necessarie per la mobilità dell idrogeno. La distribuzione verrà effettuata probabilmente utilizzando delle risorse già esistenti (supermercati, chioschi); l idea trainante è che la distribuzione debba restare prossima al consumatore e alle sue abitudini. In conclusione, l uso delle tecnologie ad idrogeno per applicazioni portatili può essere rapportata a quella della mobilità di anni fa. Oggi, esistono sviluppi in mercati di massa, come ha fatto ad esempio BIC con l acquisizione della canadese Angstrom Power Incorporated, ma anche su mercati di nicchia (come lo dimostra l esperienza realizzata da Paxitec). Contrariamente agli altri settori di applicazione, in questo contesto i livelli di produzione o le politiche energetiche non influenzano se non di poco i livelli di sviluppo. Solamente la normativa può influenzare il mercato anche se è molto probabilmente le regole anche normative saranno imposte dal mercato ovvero da chi sarà stato in grado di accaparrarsi le maggiori quote di mercato. 28

59 3.7. Messa in opera dell idrogeno La normativa francese sull idrogeno si appoggia oggi su due tipi di direttive: Quelle sui rischi di stoccaggio Quelle sull impatto ambientale Questa normativa è stata stabilita principalmente per inquadrare la produzione d idrogeno tramite il processo di reforming e il suo utilizzo per grandi quantità nell industria. La constatazione è basata sul fatto che non esiste una normativa vigente adattata a questi nuovi usi. Le procedure passano attraverso le Direzioni regionali che possono rilasciare le autorizzazioni ma non possono agire sulle normative. Relativamente a questo punto, sono le direzioni regionali che possono agire in maniera abbastanza rapida (1 anno) e sono loro che devono essere sollecitate per modificare la normativa. Esiste dunque una necessità di organizzare le azioni dei diversi autori e quindi di strutturarli fra di loro. L organizzazione dell AFHYPAC è da questo punto di vista innovativa. Per progredire, è necessario prima di tutto distinguere le finalità delle applicazioni (mobilità, habitat individuale ) e implicare gli attori legiferanti a livello nazionale, fra cui la direzione generale, ma anche mettere in contatto gli altri attori che sono collegati al settore prescelto, Direzioni per l'edilizia abitativa, Sicurezza civile In seguito è necessario concentrarsi su progetti concreti conoscendo le quantità stoccate, le pressioni ecc. e partendo di qui, prevedere il rischio al quale saranno esposte le persone coinvolte e i vigili del fuoco. 29

60 Annexes Allegati 1

61 Annexe 1 : Les acteurs Tenerrdis sur la chaine de la valeur Hydrogène. Allegato 1 : Filiera idrogeno-energia : gli attori Tenerrdis 2

62 Annexe 2: Présentations des tribunes PME Allegato 2 : presentazioni delle imprese A3I : o Génie des procédés, R&D en technologies propres, conseil en éco-innovation. A3i travaille sur l industrialisation d un procédé de production d hydrogène par double fermentation de déchets industriels. Ad-Venta : o Ingénierie innovante dans le domaine des gaz et notamment dans le domaine de l'hydrogène. AJC SAS : o Exploitation de stations de distribution de GNV. Energhy Technologies : o Energhy Technologies est une société d ingénierie et de produits axés sur l amélioration de l efficacité énergétique et environnementale de la production et de l utilisation de l énergie. ERAS Labo : o Synthèse de membranes pour pile à combustible. Faldes : o Photocatalyseurs avancés pour la réalisation d'appareils dérivés impliquant le soleil comme source d'énergie. Mahytec : o Etude, production et caractérisation de réservoirs d hydrogène destinés aux applications mobiles. McPhy Energy : o Conception, étude, fabrication, commercialisation de réservoirs de stockage solide de l'hydrogène. Paxitech : o Piles à combustible, systèmes et technologies. Pragma Industries : o Pragma Industries développe un procédé unique de fabrication de pile à hydrogène qu elle a breveté en 2006, fabrique et commercialise des bancs d essai dédiés à la mise au point de piles à combustible. Sagim SA : o Fabricant de générateurs d hydrogène pour l industrie, la météorologie et les énergies de demain. 3

63 Soprano : o Fabricant de systèmes embarqués de climatisation, diffusion d'air, automatisme et conversion d'énergie en ferroviaire, militaire, aéronautique. SymbioFCell : o SymbioFCell développe et revend des systèmes énergétiques de forte puissance, basés sur des piles à combustible et adaptés aux véhicules et aux bateaux. Voliris : o Voliris développe, construit et exploite des dirigeables et est engagé dans le développement d'un aéronef à hydrogène à géométrie variable. 4

64 Société A3I. Société ERAS Labo 5

65 Société AD VENTA 6

66 7

67 Société AJC 8

68 SYMBIO FUEL CELL 9

69 Société Energhy technologies. 10

70 Société McPhy Energy. 11

71 Société PAXITECH 12

72 Société PRAGMA Industries SAGIM 13

73 14

74 Annexe 3. Projets collaboratifs Tenerrdis sur l ensemble de la filière hydrogène. Allegato 3. I progetti di R&S sulla filiera idrogeno Tenerrdis 15

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83 Annexe 4. Les acteurs piémontais et italiens sur la chaine de la valeur Hydrogène. Allegato 4. Filiera idrogeno-energia: gli attori piemontesi e italiani. 24

84 Hydrogène Production Stockage Distribution Instrumentation Sécurité Recyclage Conversion Recherche Composantes PAC PAC Intégration PAC AUTRES UNIVERSITES ITALIENNES REM M.e.N.T. DOLOMITECH Note: les organisations qui se trouvent audessus de la ligne verte ont un siège en région Piémont. 25

85 Annexe 5. Description des entreprises du cluster Polight Allegato 5. Descrizione delle imprese del cluster Polight ASJA AMBIENTE Asja Ambiente Italia is leader in energy production from renewable (energies) sources: biogas (biomass and landfill gas), wind (eolic), sun (photovoltaics) and water (hydroelectrics). In the biomass sector, Asja is active in the design and the management of CHP plants powered by biogas produced by anaerobic digestion of agricultural, zoo technical and agro-industrial substrates. From 1995 Asja has developed a deep experience in the field of energy production from biogas produced from the anaerobic fermentation of wastes in more than 28 plants designed and managed. Asja has also developed a strong experience in maintenance of plants from biomass collection to energy distribution. Recently, Asja has started together with Environment Park a project for the development of technological solutions for the pre-treatment of lignocellulose biomasses also with high in phenolic compounds contents and for the implementation of a technology for the production of hydrogen by fermentation. AUTOSTUDI Autostudi is a service company operating in automotive, industrial and aerospace design. It carries out design work acting as consultant for large car firms and their suppliers. Started in 1983 by Carlo Angiono who is today the company s managing director, Autostudi has a staff of highly trained people who make use of the most advanced computer aided design techniques. The organization provides services such as vehicle design and development, from exterior to interior styling in a whole process from the first styling phases up to the definition of design details. In the frame of the hydrogen cluster the company in interested in the development of a fuel cell powered multi-purpose small utility vehicle with hydrogen filling station. autostudi.it AZIMUT BENETTI Azimut-Benetti is one of the most important pleasure shipbuilder in the world. In these last years, the company has been asked from customers for more sustainable boats. The use of on board electric power generation systems based on fuel cells is one of the options selected by Azimut in order to reduce CO 2 emissions and to satisfy stricter environmental requirements and customers needs. BIOSOLAR FLENCO GROUP Our services: design, manufacture, "turnkey" sales and assistance of biogas plant by anaerobic digestion process, thermodynamic solar system by concentrating solar power, biomass with

86 combustion process and cogeneration by vegetable oil. Our technicians and sellers has been operating in this field since 2003, and boast the most advanced know-how on the European market. Industrial and economic power can guaranteed the utmost reliability for all project s phases, as the result of integration in the field of renewable energies. The strength of industrial group allow the possibility to develop advanced technologies internally, increasing skills and productive capacity. The company co-operate with Turin s University, Politecnico in Turin and ENEA, and takes part in different European projects on the development of renewable energies plants. HHO System (oxy-hydrogen develop on Demand process) is based on the scission of H2O thanks to a series of advanced design s electrolytic cells, optimized for each type of ICE engines. The types of cells are part of a specific management and control s system, nonconventional and patented. This system allow to reach high efficiency of electrolysis process (95%). The system is covered by two patents, one connected to the system of management and control of electrolytic cells (gas production), the other connected to injection system for engine "on Demand". The system is self-powered, taking energy from the same generator, up to a maximum of 5% ~. This technology allows for the same final available power - a fuel saving up to 20% net (the electrical consumption for self-production of water s gas are still deducted), and the reduction of pollution emissions. The increase of effective saving of fuel change depending on the power and the swept volume of the engine in use, changing as a result the taking of electrical power. CENTRO RICERCHE FIAT Centro Ricerche Fiat S.C.p.A. (CRF) was founded in 1976 as the Fiat Group s major source of expertise in innovation, research and development. In the field of hydrogen, CRF was interested in the development of FC System & Powertrain specific solutions developed for passenger cars: from the Seicento Elettra H2 (FC range extender) to Panda Hydrogen (FC full performance) using Nuvera PEM FC stacks; for urban buses: IVECO Cityclass FC Hybrid for Turin and Madrid (UTC PEM FC Systems). BIOSEARCH AMBIENTE Biosearch Ambiente ( is a private and independent company located inside of Environment Park of Turin. Our Company, founded in May 2001, operates in the field of environmental services. The research activity is principally aimed at reclaiming most contamination sites using broad spectrum biotechnological systems, and thriving in optimizing times and costs of these operations. The activity is mostly carried out into our own advanced environmental, molecular and microbiology laboratory, in collaboration with national research institutes (University and Polytechnic of Turin) and foreign companies. Main activities in the field of hydrogen are linked to R&D of new products and technologies in order to generate novel biofuels using waste and to manage wastewater with high level of organic pollutant cheaply and easily. ELECTRO POWER SYSTEM Electro Power Systems, founded in 2005 and based in Italy, is an established player in the sector of fuel cell systems for mission-critical backup power applications. Designed to be at the xxvii

87 forefront in terms of simplicity and flexibility, our products are ready to adapt to Clients specific needs worldwide. Key benefits include: zero emissions and significant savings toward incumbent solutions (battery UPS and gen-sets). Our target markets are telecom operators, TETRA/Private Mobile Radio applications and utilities. ElectroPS already has a field proven product family of fuel cell systems for backup applications covering the range from 3 to 12 kw. he Company is currently executing the largest EU fuel cell order ever from a leading telecom operator and has several customers all over Europe while field tests with key telecom operators in Asia and the Americas are currently in the development phase. ENERCONV EnerConv is specialized in the design and production of power conversion electronics. The company can provide a wide range of UPS, converters, inverters, lightning control systems in order to satisfy requirements of datacom and automation companies, of the industry and renewables energies sectors. ENVIRONMENT PARK HYSYLAB Environment Park is the company managing the Turin technology park which aims to promote the development of applied energy and environmental-related research, facilitates innovation processes through a strong collaboration with industry and research institutions. Hydrogen and fuel cells technologies are one of the strongest technology domains where Environment Parks is operating, together with energy efficiency in buildings and bioenergies. Since 2002 Environment Park operates the FC-related laboratory HYSYLab, fully employed in the following main activities: Fuel Cell Test (Single cell and stack up to 20 kw) Storage (Characterization of hydrogen storage materials and test of metal hydride powders and vessels) Production (systems with renewable energy sources, hydrocarbon reforming and generation from biomasses) Environment Park, and HYSYLab, is partner in several European, national and regional project and is a JTI-FCH IG member. In 2009 the company started the management of an Innovation Cluster, a new Regional-funded initiative where 150 companies are involved for the Industrial Research Projects in the field of Hydrogen and Sustainable building: the initiative is called Polight ( Since 2009 Polight has funded projects for a total budget of over 20 M (11 M of public funding). FERIOLI E GIANOTTI Ferioli & Gianotti spa has been active in the market of commercial heat treatments since They are in condition to apply all related technologies: from the preliminary treatment of the blanks up to the most advanced plasma technologies; from small parts weighing a few grams up to parts weighing 50 tons each. In the hydrogen field, they are working on specific surface treatments of bipolar metal plates. gruppo.it xxviii

88 FLUIDOSISTEM By combining industry knowledge, technical expertise, research and developing of innovative systems we introduce ourselves to offer complete products and always more innovative. In order to provide the best service to customers, to help the costumers to make their business more successful, to provide cost-effective pneumatic and hydraulic solutions, that are our principal target. Our products, always available in stock, and our highly qualified personnel underline our constant commitment, therefore guaranteeing reliability, guarantee and quality in supply and after-sales assistance. FN SpA Nuove Tecnologie e Servizi Avanzati (ENEA 98.65% Deposito Avogadro Srl 1.28%, Ansaldo Nucleare 0.07%) core activities are research, development and production of advanced and high quality materials. This supports processes, products, development and manufacture of new materials (advanced ceramics and composites) and technologies in partnership with university institutes and international research centres. Thanks to the skills gained in the field of carbon fiber and silicon carbide ceramic materials, FN has been qualified by EFDA (European Fusion Development Agreement), participates in the network of excellence ExtreMat, developing SiC multi-layer materials for aero-space applications. FN is involved with ENEA in the field of molten carbonates fuel cells, producing porous components using tape casting technology and is currently developing an alternative technology, the plastic extrusion. Under the national call FISR, the centre is ongoing to realize a molten salt heliumthermodynamic plant in cooperation with ENEA, where the solar energy stored will start and support the catalytic ethanol steam reforming process. R&D are supported by FN s laboratories that allow characterization and analysis by electron microscopy, mechanical testing, physical-chemical analysis and magnetic characterization. GIACOMINI Giacomini S.p.A. was born more than 50 years ago as a small metal-mechanical company producing brass valves for hydro-thermo-sanitary applications, today the company is a leader group in the industry. It occupies more than 1000 employees in all, exporting about 80% of its production in more than 100 countries all over the world. It has 3 production plants, all located in Italy, and 12 branches in the world. Recently the company has started a massive activity in the field of hydrogen with the H2ydroGEM project that has been launched to develop technical solutions that can produce thermal energy in a way completely independent from the use of fossil fuels. The main objective of the research and development undertaken by Giacomini with the H2ydroGEM project is to create a truly zero-emission cycle for heating buildings. H2ydroGEM represents the concrete commitment of Giacomini to sustainability and environmental respect. Giacomini has recently started a project in the frame of Polight funding programme for the realisation of a FC based micro co-generation system for the residential market. xxix

89 GRUPPO STROLA Established as a foundry in the mid-19th century and specialised in the production of light alloy castings, transformed its output in the aftermath of the First World War with a series of company patents to concentrate on artistic castings for the construction industry. After the Second World War, the company resumed its activity in light alloy and stainless steel fabrication. Over the last thirty years the company has been active in the light metal carpentry sector, specialised in the fabrication of molecular filtration fume cupboards. The company is a leader in chemical risk reduction in laboratory work with its products in use in Italy and around the world, and thanks to its on-going investment in research and development. In the frame of the hydrogen cluster the company in interested in the development of a fuel cell powered multi-purpose small utility vehicle with hydrogen filling station. Currently the company is interested in the development of on board hydrogen storage design, and gas piping design. In the frame of the hydrogen cluster the company in interested in the development of a fuel cell powered multi-purpose small utility vehicle with hydrogen filling station. HYSYTECH Hysytech is a private Chemical Engineering Company established on 2003, in Turin, Italy. The main aim of the company is to provide specialized Engineering Consulting, Supply of Custom Equipment, Turn-Key Package Unit and Operation & Maintenance. Our experience and technological background offer engineering solutions on chemical processing, energy, power generation and environmental treatment. Hysytech offers integrated solutions including the process, the generation and recovery of energy but also customized solutions to ensure the proper use of energy, resulting in cost savings and reduced environmental impact. LANDRA LANDRA, born as patternmakers, following up the market evolution, produces today every kind of services and equipment, especially for the automotive industry. Right now the company is specialized in vehicle prototyping and in particular from the styling model, CAD/CAM services, polystyrene models for casting dies, control gauges, assembly jigs, provisory and definitive dies, certificated prototypes with assembled or single parts till the complete car. In the frame of the hydrogen cluster the company in interested in the development of a fuel cell powered multi-purpose small utility vehicle with hydrogen filling station. OZ FUEL CELLS OZ Fuel Cells S.r.l., a spin-off society of the Università del Piemonte Orientale, was born for developing portable electricity generators, based on fuel cells. The company offers portable electric generators with PEM (polymer electrolyte membrane) fuel cells, with power ranging from 1 to 1000 watts. They are based on innovative hydrogen generators, supplied with replaceable cartridges. xxx

90 PRIMA ELECTRO PRIMA ELECTRO designs, manufactures and sells high quality industrial dedicated electronics with 30 years experience alongside its customers, establishing a real, long-term partnership. In 2008 PRIMA ELECTRONICS had a turnover of over 41M and employed about 240 people. Around 25% of its staff and 7% of its sales are dedicated to R&D activities. For the Energy market, PRIMA ELECTRO develops solutions that are able to resist in extreme operating conditions, and manages mission-critical large scale applications with great reliability. SAPIO Gruppo Sapio operates in the industrial and medical gases field since The Group offers a broad portfolio of products and services both to the world of industrial and handicraft manufacturing activities, both in the medical sector. The Group s activity is characterized by constant attention to product innovation and by the continuous development of new technologies for the use of gas, to achieve productivity gains, energy savings and product quality improvements, paying particular attention to environmental and social issues. Gruppo Sapio is leader in Hydrogen production for the Italian market (over 50% of share), with several manufacturing sites throughout the country. Sapio research and development activity is relevant, especially relating to Hydrogen use as energy carrier, focusing on activities aimed to the acquisition of additional know-how on technologies for handling this gas. Sapio was also involved in the European project Zeroregio, co-founded by the European Commission, for the realization of the Hydrogen delivery system within a multi-fuel refuelling station. posapio.it REM In the field of hydrogen, REM is interested in power electronics development. In the frame of the hydrogen cluster the company in interested in the development of a fuel cell powered multi-purpose small utility vehicle with hydrogen filling station. ricco.it SPESSO GASKETS Spesso Gaskets S.r.l. is an independent Company, specialised since 1926 in the design, development and manufacturing of flat gaskets, traditionally for the automotive-engine sector, but increasingly also for non-automotive and non-engine applications. Spesso is a small but partnership-oriented, reliable and innovative Company continuously striving for World Class Manufacturing. The technology developed while producing metal gaskets is going to be transferred for the realization of Bipolar Metal Plates, which compose fuel cells stacks, and the relating sealing elements. The fervent cooperation with Politecnico di Torino, Environment Park and HySyLab supported us in realizing the first Italian Bipolar Metal Plates, and they have been described on a Paper which have been presented at SAE Congress in Detroit on Moreover, thanks to the cooperation with Polytechnic of Turin as well, we figure in the Piedmont Aerospace Companies Group for the realization of Bipolar Metal Plates in the development of a FC system for the auxiliary power supply (APU) for aircrafts. xxxi

91 TECNODELTA IMPIANTI Tecnodelta S.r.l. has been established by its current owners who have a long experience in fluid plants design. The company has not a standard production: it designs and manufactures plants on demand dealing with fluid regulation, delivery, control and analysis systems (especially focusing on gas for industrial processes, analysis, research and special uses). In the field of hydrogen, the company is involved in the design and manufacturing of hydrogen storage, utilisation and delivery plants and in prototypes development and patenting. In the frame of Polight projects, the company is involved in a project aimed at designing and manufacturing a metallic hydride tank prototype. VERDERONE Verderone Industrie Srl is a recent company, currently identifiable as an engineering company but with the intent to conceive, develop and commercialize products with high technological content. In this context, of particular interest are the areas of materials related logistics (material handling), where the increasingly stringent regulations, associated with a sustainable development, demand for more efficient, safer and environmentally friendly products. Specific skills in: 1. design and development of electric and hybrids vehicles; 2. design and development of propulsion systems oriented to improving efficiency, comfort and safety of vehicles; 3. design and development of high performance electrohydraulic actuation systems: fast, efficient and precise. xxxii

92 Annexe 6. Principaux projet R&D du cluster Polight Allegato 6. Progetti di R&S del cluster Polight xxxiii

93 S-BOAT PROJECT Auxiliary on board generator and energy storage system Applicant: Azimut Benetti Project partners: Amet, Azimut Benetti, Enerconv, Environment Park, Hysytech, Politecnico di Torino Funded by Regione Piemonte POR FESR managed by Polight An auxiliary power generation unit (APU) integrated with an electrolytic hydrogen generator for energy storage during the cruise. The auxiliary generator (up to 40 kw) on-board allows the cover the energy requirements of the vehicle during mooring. During the cruise the primary motor produces enough electricity through a generator allowing to load a water electrolyser and store energy. During the on-grid mooring phase the electrolyser can be powered by electricity available in the dock to charge the hydrogen tank and make it available during the off-grid rest in which you require low emissions and high ride comfort. MOS FC PROJECT Fuel Cell Powered Operating Machine Applicant: Verderone Industrie Project partners: Amet, Environment Park, Verderone Battista, Verderone Industrie Funded by Regione Piemonte POR FESR managed by Polight The project aims to develop a prototype of a fuel cell powered operating machine, with high energy efficiency and zero environmental emission. The vehicle will be equipped for handling materials such as: Municipal solid waste Recovery of end of life raw materials Waste or scrap It will be operated with electric driver, instead of the traditional hydraulic driver, powered by a fuel cell utilizing hydrogen a san energy source. This configuration replaces the traditional internal combustion engine, usually diesel powered. OZ_BOX Project Design development of 1 kw SOFC stack with integrated reformer and electronics Applicant: Oz Fuel Cells Project partners: Enerconv, Hysytec, OZ Fuel Cells, Politecnico di Torino Funded by Regione Piemonte POR FESR managed by Polight The project aims to complete the experience already developed by the universities of Piemonte, realizing the integration of a 1 kw SOFC fuel cell stack, powered by natural gas, with integrated reforming reactor and afterburner. The design of the CHP is focused residential and tertiary sector applications. For this reason, the generator must be conceived, designed and manufactured in the simplest forms to permit its use in private without any special technical silos. xxxiv

94 RES-COGEN Realization of a prototype pe of co-generator Applicant: GIACOMINI Project partners: Hysytech,Envipark, Enerconv, DENER (Politecnico di Torino) Funded by Regione Piemonte POR FESR managed by Polight Integration of PEM cogeneration system fueled by natural gas for residential use. The prototype is designed to evacuate the actual conditions of operation of the system and in particular the integration with other heat flows of residential system. TheMPIS Thermal Management Pem Fuel Cells Innovative solutions Applicant: Politecnico di Torino Project partners: Phitec Ingegneria Funded by Regione Piemonte POR FESR managed by Polight Use of the technology based on the heat pipe to increase the reliability of the fuel cell aeronautical, while reducing the weight and bulk. The two technologies will be compared. SOFCOM SOFC CCHP with poly-fuel: operation and maintenance Applicant: Politecnico di Torino Project Partners: Teknologian Tutkimuskeskus Vtt, Topsoe Fuel Cells A/S, Società Metropolitana Acque Torino SpA, Matgas 2000 A.I.E., Consiglio Nazionale delle Ricerche, Instytut Energetyky, Ecole Polytechnique De Lausanne, Technische Universitaet Muenchen, Università degli Studi Di Torino. Funded by the JTI FCH Programme SOFCOM is an applied research project devoted to demonstrate the technical feasibility, the efficiency and environmental advantages of CCHP plants based on SOFC fed by different typologies of biogenous primary fuels (locally produced), also integrated by a process for the CO 2 separation from the anode exhaust gases. The research activity will be devoted to the scientific, technical and economical management of two proof-of-concepts of complete energy systems based on SOFCs. Several issues will be addressed like high efficiency integration designs, impact of the fuel pollutants on the SOFC and fuel processing units operation, gas cleaning, carbon sequestration module, operation in CCHP configuration, maintenance and repair strategies, lessons learned for pre-normative issues and scale-up analysis. xxxv

95 ENE.FIELD European-wide field trials for residential fuel cell micro-chp Applicant: Cogen Project partners: Baxi, Bosch, Ceres, Daal, Dtp, Elcore, Hexis, Rbz, Sofcp, Vaillant, Bgas, Dolomiti, Dong, Gdf Suez, Gwi, Dbi, Dcht, Eifer, Element, Envipark, Est, Hiramp, Imperial, Now, Polito, Risoe Funded by the JTI FCH Programme Ene.field will deploy and monitor nearly 1,000 residential fuel cell Combined Heat and Power (mchp) installations, across 12 key member states. It represents a step change in the volume of fuel cell mchp deployment in Europe and a meaningful step towards commercialisation of the technology. The programme brings together 9 mature European micro FC-CHP CHP manufacturers into a common analysis framework to deliver trials across all of the available fuel cell CHP technologies. Fuel cell mchp trials will be installed and actively monitored in dwellings across the range of European domestic heating markets, dwelling types and climatic zones, which will lead to an invaluable dataset on domestic energy consumption and mchp applicability across Europe. By learning the practicalities of installing and supporting a fleet of fuel cells with real customers, ene.field partners will take the final step before they can begin commercial roll-out. An increase in volume deployment for the manufacturers involved will stimulate cost reduction of the technology by enabling a move from hand-built products towards serial production and tooling. The ene.field project also brings together over 30 utilities, housing providers and municipalities ities to bring the products to market and explore different business models for mchp deployment. The data produced by ene.field will be used to provide a fact base for FC mchp, including a definitive environmental lifecycle assessment and cost assessment on a total cost of ownership basis. To inform clear national strategies on mchp within member states, ene.field will establish the macro-economics and CO 2 savings of the technologies in their target markets and make recommendations on the most appropriate policy mechanisms to support the commercialisation of domestic mchp across Europe. Finally ene.field will assess the socio- economic barriers to widespread deployment of mchp and disseminate clear position papers and advice for policy makers to encourage further roll out. FLUMABACK Fluid Management component improvement t for Back up fuel cell system Applicant: Electro Power Systems Project partners: Domel, Tubiflex, Environment Park, Jozef Stefan Institute, Foundation for the Development of New Hydrogen Technologies in Aragon, NedStack Fuel Cell Technology BV, Onda, University of Ljubljana-Faculty for Mechanical Engineering, Joint Research Centre- Institute for Energy and Transport. Funded by the JTI FCH Programme The project aims to improve the performance, life time and cost of balance of plant (BOP) components. The aim of the project is studying and implementing new and innovative BOP xxxvi

96 components for back up fuel cell systems specifically addressed for emerging countries where long black-outs occur (8-9 hours per day) and very hard operative conditions are present (high temperature, high degree of humidity). More specifically the project focuses on new design and improvement of BOP components, aiming at: Improving BOP components performance, in term of reliability; Improving the lifetime of BOP component both at component and at a system level; Reducing cost in a mass production perspective; Simplifying the manufacturing/assembly process of the entire fuel cell system The project is focused on the most critical BOP components with the largest potential for performance improvement and cost reductions: air and fluid flow equipments, including subcomponents and more specifically blower and recirculation pumps; humidifier; heat exchanger. FITUP Applicant: NTDA Energia Project partners: Electro Power System, Lucerne University, Swisscom, Environment Park, Future-E Fuel Cell Solutions, UNIDO-ICHET, FCVRE Funded by the JTI FCH Programme A total of 19 market-ready fuel cell systems from 2 suppliers (ElectroPS, FutureE) will be installed as UPS/ backup power sources in selected sites across the EU. Real-world customers from the telecommunications and hotel industry will utilize these fuel cell-based systems, with power levels in the 1-10kW range, in their sites. These units will demonstrate a level of technical performance (start-up time, reliability, durability, number of cycles) that qualifies them for market entry, thereby accelerating the commercialisation of this technology in Europe and elsewhere. The demonstration project will involve the benchmarking of units from both fuel cell suppliers according to a test protocol to be developed within the project. It will employ this test protocol to conduct extensive tests in field trials in sites selected by final users in Italy, Switzerland and Turkey. The performance will be logged and analysed to draw conclusions regarding commercial viability and degree to which they meet customer requirements, as well as suggesting areas for improvement. A lifecycle cost analysis using data from the project will be carried out to determine economic value proposition over incumbent technologies such as batteries or diesel generators. The system producers use the results to obtain valuable first hand feedback from customers, optimise their systems as needed, and demonstrate commercial viability. On the other hand, final users from the telecommunications and hotel industry will experience first-hand the advantages of fuel cells for their applications under real world conditions. The optimisation potential is expected from the production process itself, from the installation of a significant amount of fuel cell systems and from the testing. The project will also develop a certification procedure valid in the EU27 under the lead of TÜV Süd. The dissemination of project progress will be geared mostly towards getting the word out xxxvii

97 to final users through presentations at specialised conferences, thus improving the visibility of market-ready fuel cells and pave the way for market penetration. The consortium consists of large and small entities which are fuel cell suppliers, end users and R&D centres for data acquisition and analysis. The partners are located throughout the EU covering a range of environmental conditions, such as those found in Italy, Switzerland and Turkey. This spread will demonstrate the viability and enable the use of fuel cell-based UPS across the EU. HYPROFESSIONALS Applicant: Foundation for Hydrogen in Aragon Project partners: FAST, San Valero Foundation, UNIDO ICHET, JRC-European Commission- Joint Research Center, WBZU, Association Pyrenees, Environment Park, CPI. Funded by the JTI FCH Programme Today s technicians and students are the next generation of potential fuel cell users and designers, and education now is a critical step towards the widespread acceptance and implementation of hydrogen fuel cell technology in the near future. Development of training initiatives for technical professionals will be started aiming to secure the required mid- and long-term availability of human resources for hydrogen technologies. The future initiatives have to be carried out for various educational levels and including industry, SMEs, educational institutions and Authorities. Coordination and cooperation are key factors to fulfil the objective: develop a well-trained work-force which will support the technological development. SSH2S SH2S Applicant: UNITO Nanostructured Interfaces and Surfaces of the University of Turin, Italy Project partners: CRF Centro Ricerche Fiat, Italy TD Tecnodelta Srl, Italy DLR Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt e.v., Germany KIT Karlsruhe Institute of Technology, Germany IFE Institutt for Energiteknik, Norway JRC Joint Research Centre of European Commission, Institute for Energy, Belgium SER Serenergy A/S, Denmark Funded by the JTI FCH Programme The main objective of SSH2S is to develop a tank-fuel cell integrated system to demonstrate its application on a real system. A new class of material for hydrogen storage (i.e. MM'(BH4)n mixed boroydrides) as well as an already known system (Li-Mg-N-H) will be explored. A new concept of solid state hydrogen tank (i.e. combination of two materials) will be investigated. The application of hydrogen tank on real system will be experimented with a 1 kw prototype on High Temperature Polymer Electrolyte Membrane (HTPEM) fuel cells. On the basis of the results obtained in the first part of the project, a ON/OFF milestone will be considered. If suitable performances will be obtained for the prototype integrated system, a scale up of the tank will be applied to a 5 kw APU. The final goal is to clearly demonstrate the applicability of the proposed integrated system in real applications. xxxviii

98 HY TRACTOR Applicant: CNH Project partners: CNH Italia SpA, CRF, ELASIS, ENEA Centro Ricerche Trisaia, CNR ITAE, Environment Park S.p.A., VERDERONE, APICOM, FERA - Fabbrica Energie Rinnovabili Alternative, Ferrari Costruzioni Meccaniche Srl, TONUTTI S.p.A., ROTER / FORIGO, Sapio Funded by the Industria 2015 Made in Italy The Hy-Tractor project aims at demonstrating the sustainability in the medium period of a fuel cell medium size tractor. The project will focus on the development and test of: a prototype of hydrogen power system and the hydrogen storage a FC based electric tractor prototype, hydrogen storage system and various auxiliary subsystems necessary for the operation of the Fuel Cell an energy-saving system for the tractor aimed at improving the energy efficiency by integrating an energy management system on the vehicle, a high efficiency air conditioning system, a PV system installed on the top of the pilot cockpit, high efficiency external lights, hydraulic systems and electric starting of the PTO agricultural equipments with electric starting. The project will end with an on field test of the FC tractor in operational conditions outdoor and indoor (where zero emission vehicles are more and more requested). EFESO Applicant: Ariston Termosanitari Project partners: SOFC Power, Acumentrics (Usa), STM, Hysytech, Proeng, Enterprise, General Impianti, STMicroelectronics, FN, Università di Perugia, ENEA, RSE, Università Politecnica delle Marche, Environment Park, Politecnico di Torino Funded by the Industria 2015 Efficienza Energetica The project aims at the development of prototype of Micro CHP (1 and 2,5 kwe) based on planar and/or tubular SOFC with associated costs able to reach the payback in 5 years on the market (without grants). The destination of this kind of appliance is mostly residential and can be applied to different sizes of buildings (modular). The goal of the project is also to develop skills and know how necessary to develop an Italian industry in this sector. xxxix