Sole, legna e idrogeno per l’autosufficienza energetica

Grazie a un innovativo sistema per lo stoccaggio dell’idrogeno allo stato solido, una fattoria ecosostenibile sudtirolese utilizza al meglio l’energia solare fotovoltaica e la biomassa di origine forestale.

Entrato in attività nel settembre 2022, Arieshof propone un modello alternativo di insediamento agricolo, caratterizzato da una decisa vocazione ecologica e quasi completamente autonomo dal punto di vista energetico. Si tratta di una fattoria di montagna circondata da boschi e aree coltivate, che dispone di spazi e servizi per la preparazione e la vendita dei propri prodotti, per l’ospitalità turistica e per attività educative orientate alla sostenibilità.

Situato a San Lorenzo di Sebato (Bolzano), vicino al comprensorio sciistico Plan de Corones, il complesso è risultato di un intervento di demolizione e ricostruzione del maso preesistente, curato dallo studio di architettura BergundTal nel rispetto dei requisiti CasaClima Classe A.

Il fabbisogno energetico è interamente coperto da fonti rinnovabili; accumuli a batteria e un innovativo sistema a idrogeno garantiscono la quasi completa autonomia dalla rete elettrica. L’azienda agricola opera secondo principi olistici (eco-compatibilità, coltivazioni biologiche certificate, gestione sinergica fra suolo, vegetazione e animali domestici, interazione sociale, ecc.) e impiega lavoratori socialmente svantaggiati, con l’obiettivo di produrre alimenti di alta qualità destinati sia al sostentamento della comunità insediata e degli ospiti, sia alla vendita a consumatori, ristoratori e ad altre aziende agricole locali.

I principali prodotti consistono in ortaggi, cereali, verdure, legumi, patate, erbe, bacche, carne e preparati gastronomici della tradizione sudtirolese. La presenza di numerose specie di animali domestici contribuisce alla creazione di cicli ecologici chiusi, focalizzati alla preservazione delle risorse, e rappresenta un’ulteriore attrattiva nei confronti delle attività turistica ed educativa, quest’ultima rivolta specialmente ai giovani.

Spazi e funzioni

Le nuove costruzioni dell’Arieshof (superficie netta 2.022 m²; volume netto 6.009 m²) sono caratterizzate da volumi in elevazione estremamente compatti (rapporto S/V 0,36) impostati su basamenti ipogei. L’insediamento è composto da 3 edifici per le funzioni residenziale (a est), commerciale (al centro) e agricolo- zootecnica (a ovest), quest’ultimo prossimo a un laghetto.

L’edificio residenziale è articolato su tre livelli destinati a:

• lavorazione e conservazione dei prodotti agroalimentari con magazzini e celle frigorifere, servizi igienici e locali tecnici, più 5 miniappartamenti per gli ospiti, tutti affacciati sul porticato rivolto a levante, con spazi connettivi distinti (piano seminterrato);
• soggiorno-pranzo con pergolato e giardino esterno, sauna, palestra, cucina (piano terreno);
• lavorazione dei prodotti agroalimentari (primo piano).

Un camminamento coperto mette in collegamento l’edificio residenziale con quello commerciale, che si sviluppa su 4 livelli destinati a:

• depositi, servizi igienici, locali tecnici e box (piano interrato);
• ristorante e spaccio aziendale con cucina, dispensa e ufficio (piano terreno);
• area residenziale con 4 appartamenti (piani primo e mansarda) circondati da ballatoi.

Nell’edificio agricolo-zootecnico il seminterrato è occupato dal fienile, da altri spazi destinati all’attività agricola e dalla centrale tecnologica. Al piano terreno la stalla/fienile è suddivisa in locali che accolgono separatamente diverse specie di animali domestici. Gli edifici sono sostenuti da strutture murarie in calcestruzzo armato e in legno lamellare (ballatoi, camminamento, ecc.) e dispongono di coperture con rivestimento in lamiera metallica, quasi completamente ricoperte da moduli fotovoltaici (superficie complessiva 1.020 m²; potenza 206,31 kWp; produzione annua stimata 230 MWh).

L’involucro edilizio è isolato termicamente da un cappotto in polistirene espanso spesso 14 cm, protetto da un rivestimento esterno in legno che richiama la tradizione costruttiva locale. Attorno e sotto le strutture orizzontali controterra lo spessore totale dell’isolante è di 30 cm.

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Energia da fonti rinnovabili

Arieshof sorge in Val Pusteria a circa 810 m s.l.m. (zona climatica F; 3.788 gradi giorno). Al rigido clima invernale (T esterna di progetto -18,1 °C) corrispondono estati temperate (T esterna b. u. 21,3 °C), che rendono superfluo il ricorso a impianti di raffrescamento.

Situata nel livello ipogeo della stalla/ fienile, la centrale tecnologica produce calore (acqua a max 95 °C) ed elettricità, utilizzando esclusivamente biomassa legnosa come fonte di energia rinnovabile, che si somma a quella prodotta dai campi solari.

Il processo per l’energia prevede lo stoccaggio del cippato in 2 silos e, mediante dispositivi automatici di trasporto, l’alimentazione dei generatori:

• 

  caldaia (150 kW) con efficienza >93% a pieno regime e in modulazione;

• cogeneratore (61 kWt; 20 kWe) con efficienza complessiva 95,3% (71,8% termica; 23,5% elettrica), per la produzione annua di 74 MWh elettrici mediante combustione del gas di sintesi (syngas) ottenuto dal cippato.

L’energia non consumata è immagazzinata in:

• batterie al nichel – metallo idruro da 130 kW (capacità 172 kWh), utilizzate per l’accumulo a breve termine;
• sistema HY2MEDI di GKN Hydrogen per la produzione e stoccaggio allo stato solido dell’idrogeno, per l’accumulo a lungo termine e per la sua conversione in elettricità.

L’insieme di queste tecnologie, interamente alimentate da fonti rinnovabili, garantisce la copertura quasi completa (90÷95%) del fabbisogno energetico dell’Arieshof, con un’autonomia dalla rete elettrica stimata in almeno 5 mesi, ed evita emissioni in atmosfera nell’ordine di 92 tCO2 annue. Il sistema comprende anche dispositivi per la ricarica dei veicoli elettrici.

Sulla base dei progetti impiantistici per gli edifici, curati dagli studi helplan (impianti meccanici) e MEPing (impianti elettrici), il sistema energetico è stato sviluppato da GKN Hydrogen in sinergia con Enermore, che ha curato il software di gestione.

Accumulo chimico dell’idrogeno

L’autosufficienza energetica è alla base del concept tecnologico dell’Arieshof, che utilizza l’innovativa unità HY2MEDI di GKN Hydrogen per realizzare il ciclo completo dell’idrogeno, senza ricorrere a fonti energetiche esterne all’insediamento. Si tratta del primo modello di questo tipo installato in Europa, composto da elettrolizzatore (24 kWe), accumulatore con tecnologia degli idruri metallici (capacità max 2 MWh) e cella a combustibile (16 kWe).

L’innovativa tecnologia di stoccaggio si basa sull’accumulo chimico dell’idrogeno allo stato solido, soluzione alternativa rispetto a bombole e serbatoi non solo per la tecnologia impiegata, ma anche per le superiori condizioni di sicurezza, per la semplicità della gestione operativa e per l’ingombro contenuto. L’intero sistema è alloggiato in un container situato in prossimità della centrale tecnologica. L’idrogeno è ottenuto mediante elettrolisi dell’acqua, sottoposta a filtrazione, utilizzando l’elettricità prodotta da cogenerazione e solare fotovoltaico.

Prima dello stoccaggio, il gas prodotto dall’elettrolizzatore è essiccato e quindi depurato, per ottenere idrogeno con elevato grado di purezza. L’accumulo è composto da serbatoi cilindrici riempiti con dischi (pellet) di polvere di ferro e titanio compattata. Le molecole di idrogeno sono immesse nei serbatoi operando leggere variazioni di pressione e temperatura, quindi si legano alle molecole dei metalli creando un legame elettrochimico (idruro) che realizza lo stoccaggio del gas allo stato solido, in modo stabile e sicuro. Il rilascio dell’idrogeno verso la cella a combustibile avviene sempre mediante leggere variazioni di pressione e temperatura dei serbatoi.

La regolazione dei flussi del gas verso e dai contenitori è affidata a circuiti equipaggiati con valvole e altri dispositivi comandati dal sistema di supervisione, preposto alla gestione del sistema e in grado di restituire informazioni e previsioni circa il suo funzionamento. Nella cella a combustibile l’idrogeno reagisce con l’ossigeno producendo elettricità e rilasciando acqua.

L’insieme dei processi che subisce l’idrogeno (elettrolisi, immissione, stoccaggio, rilascio, conversione in energia) restituisce anche calore, riutilizzato nell’Arieshof per la produzione dell’ACS.

Ecco i principali dati tecnici di HY2MEDI:

• produzione H2: >10 kg/giorno
• capacità di stoccaggio H2: 30÷120 kg (0,5÷2 MWh);
• pressione max H2: 40 bar;
• potenza nominale: 7 kW fino a 285 h; 14 kW fino a 142 h;
• dimensioni del container: lunghezza 6,0 m, profondità 2,5 m, altezza 2,6 m;
• peso del container: 13÷20 t.

Cogenerazione e riscaldamento a biomasse

Il cippato è un combustibile solido composto dai residui delle lavorazioni agroforestali e delle segherie, perciò di origine rinnovabile al 100% e disponibile a “km zero” nelle aree montane e boschive. Si tratta infatti di legno inadatto ad altri usi, dal potere calorifico compreso fra 3÷4,5 kWh/kg in funzione dell’umidità.

Il cippato può essere autoprodotto, con un dispendio di energia primaria mediamente inferiore al 2%, e risulta molto conveniente anche se approvvigionato. Rispetto ad altri tipi di biomasse solide il costo è contenuto (da 4 a 7 euro nel 2023, in funzione dell’essenza) e le fluttuazioni del prezzo sono minime. La produzione prevede inizialmente la raccolta della materia prima e la sua essiccazione. La riduzione in scaglie di piccole dimensioni con procedimento meccanico facilita lo stoccaggio (la densità è compresa fra 200÷250 kg/m3) e si presta all’impiego anche in generatori che, come nel caso del’Arieshof, estraggono dal cippato il syngas per utilizzarlo come combustibile.

Il cogeneratore, ad esempio, è articolato nelle due unità di gassificazione e di produzione elettrica. La gassificazione avviene in una camera di combustione attraversata dal cippato in verticale, dall’alto verso il basso. Il syngas liberato dalla degradazione pirolitica attraversa quindi diversi scambiatori di calore e filtri, che ne stabilizzano la temperatura. Il procedimento di gassificazione è ottimizzato anche per minimizzare la produzione di ceneri ed emissioni.

Alimentato dalla miscela di syngas e aria, il motore aziona il generatore elettrico e fornisce ulteriore calore, proveniente dal raffreddamento dei componenti meccanici e dalla condensazione dei fumi di scarico, che si aggiunge a quello recuperato dalla gassificazione. Prima dell’immissione in atmosfera i gas di scarico sono trattati da un catalizzatore, per abbattere la concentrazione di inquinanti, e da un silenziatore.

Nel caso della caldaia, invece, il combustibile è bruciato con metodo tradizionale. Il generatore è equipaggiato con soluzioni tecniche focalizzate su:

• impiego multicombustibile (regolazione del letto di brace, ecc.);
• regolazione ottimale della combustione (controllo delle temperature, tiraggio indotto dei fumi, ecc.);
• efficienza energetica (ridotti consumi elettrici, pulizia automatica dei componenti, ecc.);
• minimizzazione di ceneri ed emissioni atmosferiche (filtro, catalizzatore, ecc.).

I VANTAGGI DELL’ACCUMULO SOLIDO – L’idrogeno e generalmente accumulato allo stato gassoso o liquido. Nel primo caso si utilizzano in serbatoi di grande dimensione (P ~ 40 bar), per le applicazioni fisse, oppure in piccoli serbatoi (P ≥ 350 bar) per le applicazioni mobili, da mantenere alla temperatura ~0 °C. L’idrogeno può essere stoccato anche allo stato liquido (P = 1 bar) a temperature bassissime (-252 °C).

Attualmente queste modalità non si prestano alle applicazioni civili, sia per il dispendio di energia necessario (oltre al raffreddamento dei serbatoi, la compressione consuma grandi quantità di energia), sia per la sicurezza (elevate pressioni dello stoccaggio allo stato gassoso, alta infiammabilità del gas).

La tecnologia di stoccaggio chimico dell’idrogeno sviluppata da GKN Hydrogen prevede l’uso di serbatoi contenenti pellet di polvere metallica ad alta densità. L’immissione dell’idrogeno da luogo a una reazione chimica che cattura le molecole gassose, legandole ai metalli sotto forma di cristalli di idruro. La stessa quantità di gas contenuta in una bombola di idrogeno liquido può quindi essere immagazzinata, allo stato solido, in un serbatoio dal volume pressoché equivalente, ma in condizioni di pressione e temperatura facilmente gestibili.

HY2MEDI utilizza serbatoi di dimensioni contenute che stoccano l’idrogeno a ~20 °C e a ~30 bar, abbattendo drasticamente il dispendio energetico per la compressione della stessa quantità di gas allo stato liquido. Maggiore è il flusso di idrogeno, più intensa è la reazione chimica. Il caricamento dei serbatoi comporta una reazione esotermica: durante l’assorbimento del gas da parte delle polveri il serbatoio dev’essere raffreddato a temperatura costante, per mantenere il processo stabile ed efficiente.

La reazione di desorbimento è invece endotermica, perciò, in fase di scaricamento del gas il serbatoio deve essere riscaldato. Poiché il fabbisogno di calore rappresenta quasi il doppio della domanda di elettricità, la gestione della temperatura è un aspetto centrale della gestione del sistema e ne consente l’applicazione ai fini termici, a vantaggio dell’efficienza.

Il solo processo basato su elettrolisi e cella a combustibile restituisce infatti un’efficienza elettrica pari al 25÷40%, mentre un’efficace gestione dei processi di conversione porta l’efficienza complessiva al 70÷90%. Allo scopo sono stati messi a punto serbatoi a doppio tubo, per ottimizzare il trasferimento del calore fra i pellet e il fluido di raffreddamento/riscaldamento, in modo da accelerare i processi, ridurre le dispersioni termiche e incrementare la sicurezza.

Il modulo termico comprende scambiatori di calore, circolatori e valvole di regolazione dei circuiti termici, che consentono anche l’alimentazione di utenze esterne al sistema. Poiché le polveri metalliche non si deteriorano nel tempo, la durata di servizio attesa di HY2MEDI è superiore a 20 anni, durante i quali la capacita di stoccaggio si mantiene pressoché costante. Il funzionamento del sistema e gestito in automatico ed e controllabile in remoto.

Riscaldamento e ventilazione

A valle di cogeneratore e caldaia, l’acqua calda e stoccata in un accumulo termostatico (20.000 l) equipaggiato con un’unita automatica integrata per caricamento, trattamento, espansione e pressurizzazione dell’acqua. Il fluido termovettore e quindi spillato per alimentare:

• 

  l’impianto di essiccazione del fieno (70 °C) e il bollitore (1.500 l) per la produzione istantanea dell’ACS, che riceve anche il calore recuperato dal cogeneratore e dal modulo a idrogeno;

• la rete del teleriscaldamento (70 °C), con tubazioni dirette verso gli altri edifici.

L’edificio per le attività commerciali dispone di uno scambiatore di calore (100 kW) che alimenta circuiti a 2 tubi per:

• il bollitore (1.500 l) per la produzione istantanea di ACS (65 °C; ΔT -30 °C);
• l’UTA al servizio della cucina (50 °C; ΔT -15 °C);
• le utenze dell’impianto di riscaldamento (45 °C; ΔT -10 °C).

Anche l’edificio residenziale dispone di circuiti a 2 tubi, attestati su uno scambiatore di calore (50 kW) al servizio di utenze simili a quelle dell’edificio commerciale (bollitore ACS da 1.500 l, UTA delle zone comuni, utenze dell’impianto di riscaldamento), con i medesimi valori per temperature massime e differenziali termici.

Le reti di distribuzione sono realizzate con tubi in acciaio termoisolati e dotati, ove necessario, di cavi elettrici antigelo.

L’impianto di riscaldamento alimenta:

• pavimenti radianti con relativi dispositivi di regolazione, situati in tutti gli ambienti principali;
• radiatori equipaggiati con valvole termostatiche, nei locali di supporto e servizio.

La ventilazione degli ambienti abitati e generalmente di tipo naturale, ma alcuni di essi sono serviti da impianti di ventilazione meccanica. Nelle camere e nella maggior parte dei locali riservati agli ospiti il ricambio igienico dell’aria (1 vol/h o 15÷35 m3/h per persona) avviene a 20 °C, grazie anche al recupero del calore (efficienza 65%) effettuato dall’UTA dedicata (mandata 3.000 m3/h). La cucina dispone di 1 UTA dedicata (8.000 m3/h).

Sala fitness e sala riunioni sono invece dotate di dispositivi VMC decentralizzati che, in relazione all’uso effettivo dei singoli locali, si attivano per il ricambio dell’aria (ciascuno 100 m3/h) con recupero del calore (60%) e deumidificazione, convogliando i flussi di rinnovo verso le vetrate. L’estrazione dai servizi igienici e dai locali che non dispongono di riscontro diretto verso l’esterno e affidata ad aspiratori, che espellono l’aria esausta sulla copertura.

L’intera rete idrico-sanitaria è realizzata con tubazioni in acciaio inossidabile termoisolate. La temperatura dell’ACS è regolata elettronicamente tramite una valvola miscelatrice, con funzionamento della rete di ricircolo regolato da un timer. Arieshof è protetto da un sistema antincendio con impianto di estinzione ad acqua (idranti e naspi) ed estintori.

Gestione energetica ottimizzata

Stefan Rainer è CEO di Enermore e ha coordinato lo sviluppo del sistema per la gestione energetica: «Enermore è specializzata nella realizzazione di PLC (controllore logico programmabile) per la gestione integrata digitalizzata di impianti pluri-fonte e pluri-accumulo, con soluzioni che offrono standard di livello industriale. I nostri sistemi non sono legati a prodotti o tecnologie specifiche: personalizziamo una piattaforma modulare a seconda degli impianti, delle loro potenzialità e necessità, nel rispetto degli obiettivi di ogni singolo progetto. Ci siamo aggiudicati la commessa per l’Arieshof partecipando alla selezione indetta da GKN Hydrogen».

Quali complessità avete affrontato e come sono state risolte?

«Il sistema sviluppato per Arieshof, ad esempio, comprende moduli per la gestione e la regolazione del funzionamento integrato degli impianti di produzione, degli accumuli e dei consumi, fino al colle gamento e ai servizi per le reti compreso l’energy trading, ecc.. La principale complessità è consistita nella gestione collaborativa degli accumuli a batteria, per periodi di durata oraria e giornaliera, e a idrogeno, per periodi settimanali e mensili. L’obiettivo finale era infatti ottenere un dimensionamento bilanciato complessivo, in grado di assicurare la massima autonomia rispetto alla rete di distribuzione elettrica».

Quali sono i risultati ottenuti a circa un anno dall’entrata in funzione del sistema?

«L’impianto non è ancora completamente operativo: siamo in attesa della certificazione per il collegamento alla rete del micro-cogeneratore. Ciò nonostante è stata raggiunta un’autonomia del 90%. Si tratta comunque di un risultato significativo, considerando che le taglie degli accumuli elettrici sono leggermente inferiori rispetto alla configurazione ottimale. Il 100% di autonomia dalla rete è perciò un obiettivo sicuramente raggiungibile con le tecnologie utilizzate.

Sulla base dei risultati ottenuti in questa fase iniziale, per massimizzare l’efficienza complessiva siamo intervenuti sulla parte termica. Nelle giornate estive molto soleggiate, una parte dell’energia prodotta dal campo fotovoltaico è utilizzata per riscaldare gli accumuli dell’ACS mediante resistenze elettriche, integrando così la produzione di calore dei generatori a biomassa anche per allungarne la vita utile».

Quali sono le prospettive per il sistema energetico installato all’Arieshof?

«L’esperienza è di estremo interesse. Il sistema così configurato è efficiente, performante, flessibile e scalabile. Le tecnologie utilizzate consentono di sviluppare progetti finalizzati a ottenere la completa autonomia rispetto alle reti energetiche, anche per quanto riguarda la mobilità sostenibile, in applicazioni civili e anche industriali».