I sistemi ibridi Baglietto dalla A al B-Zero: gli yacht di oggi e del futuro

A Spezia, durante la conferenza “Bzero Working for an evolving future”, il cantiere Baglietto ha presentato i progressi portati avanti dal cantiere nell’ambito delle nuove energie sostenibili per il settore navale. Vista l’importanza e la maturazione tecnica del progetto, Filippo Ceragioli ha intervistato Alessandro Balzi, Energy Department Director & Project Manager for Hybrid Solutions at Baglietto spa.

PressMare - Ing. Balzi, qual è lo stato dell’arte di Baglietto in tema di soluzioni ibride?

Alessandro Balzi - Partiamo dalla descrizione di un'imbarcazione che stiamo consegnando in questi giorni, la nostra commessa 10238 , yacht di 52 metri a propulsione ibrida: modalità di navigazione diesel tradizionale, diesel-elettrico, diesel-shaft generation full electric. La caratteristica principale dell’ibrido è la flessibilità di utilizzo dell’intero sistema. Per lunghe traversate ad esempio, possiamo navigare in diesel-shaft generation utilizzando la propulsione diesel principale, generando energia elettrica con il motore elettrico posto in asse per ottimizare i consumi e risparmiare ore di gensets tradizionali anche a velocità di crociera sostenute. Possiamo comunque viaggiare a velocità ridotte anche in diesel-elettrico, quindi coi motori principali spenti. I generatori diesel producono l'energia sia per la propulsione che per la parte hotel. Infine, la piattaforma ibrida permette anche di navigare In modalità full electric. Full electric vuol dire zero emissioni perché l’energia viene dalle batterie. Lo yacht di 52 metri che stiamo consegnando, con le tecnologie e le batterie attualmente disponibili, ha 588 kWh di energia immagazzinata in accumulatori agli ioni di litio, che gli permettono di navigare a basse velocità o di rimanere all’ancora con i generatori spenti. Ad oggi l’indipendenza energetica è di circa 9/10 ore all’ancora, in navigazione invece abbiamo un’autonomia di tre, tre ore e mezza”.

PM - Che progressi si prevedono per le batterie?

AB - Attualmente la migliore tecnologia disponibile viene dall’industria dell’automotive. Nei prossimi anni, con le batterie a stato semi solido e poi allo stato solido, ci sarà un salto generazionale come era stato qualche anno fa con l’avvento batterie agli ioni di litio. Anche le stime che abbiamo fatto per il B-Zero – sistema che, a partire dall’acqua, grazie a elettrolizzatori produce idrogeno, quindi energia - sono state calcolate con batterie di attuale generazione, per cui prevediamo possano migliorare in maniera significativa.

PM -  Quanto stima potrà arrivare la capacità degli accumulatori?

AB - Nel 2025 consegneremo altre due navi con sistemi ibridi e batterie al litio. Riusciremo a installare sulla stessa piattaforma navale di 52mt, senza andare a togliere spazio all'armatore, fino a 1,1 megawatt, cioè 1100 kilowattora di energia “sotto forma” di batteria. Passeremo quindi da 588 kWh a 1,1 MWatt, e ciò consentirà di stare quasi fino a 18 ore all’ancora con tutti i motori/generatori diesel spenti, potendo inoltre di navigare per 6,5 ore fra i cinque e i sei nodi.

B-Zero nasce proprio per cercare di aumentare ulteriormente l’autonomia a zero emissioni nella modalità full Electric, in modalità silenziosa. Con il sistema a idrogeno che stiamo sviluppando assieme ai nostri partner non puntiamo a realizzare imbarcazioni che navighinono solo ad idrogeno, ma a sviluppare e integrare tecnologie che permettano di estendere l’autonomia a zero emissioni. Guardiamo comunque anche ai carburanti alternativi che saranno disponibili nei prossimi anni, che sia un diesel sintetico oppure un bio diesel. Studieremo queste soluzioni almeno per i prossimi 10 anni. Biodiesel e diesel sintetici rappresenteranno una valida alternativa con un impatto in questo caso net-zero, ovvero neutrale dal punto di vista delle emissioni carboniche, nel calcolo del bilancio dell’operatività della barca”.

PM - La transizione energetica verso una produzione di energia più sostenibile non può risolversi nel semplice e improvviso abbandono delle fonti fossili…

AB - Il problema è globale e concreto. Sebbene l'industria dello yachting rappresenti una nicchia e contribuisca per una percentuale trascurabile nel bilancio delle emissioni globali di CO2, tuttavia la sensibilità degli Armatori e del Nostro Cantiere per questi temi è di piena consapevolezza. In tutti i settori industriali, normative e direttive stanno imponendo un cambiamento. Per il settore navale le direttive internazionali dell’IMO hanno già tracciato il cammino da qui fino al 2050 e oltre. Ogni settore dovrà mettere in campo soluzioni e tecnologie innovative e che puntino a Zero emissioni o a un bilancio net-zero. Nell’automotive ad esempio, le direttive europee indicano l'elettrificazione come direzione da seguire, un conto però è farlo appunto con un mezzo leggero come un'automobile, è invece un’altra storia quanto riguarda settori come il trasporto pesante, il settore marittimo navale e il trasporto aereo per i quali non è detto che si possa procedere necessariamente con le batterie. Penso che la ricerca porterà varie soluzioni nel corso degli anni. Quando nel 2019 in Baglietto si è iniziato a parlare di idrogeno, ci sembrava una realtà lontanissima. All’inizio della nostra ricerca parlavamo di poter raggiungere come target 1 MWh (megawattora) di energia immagazzinata in idrogeno a bordo. Dopo tre anni (quattro son passati di ricerca, sviluppo e studio), siamo arrivati a 3,5 Megawatt/ora.

PM – Fra batterie e idrogeno quale disponibilità di energia potrà essere garantita?

AB - La componente di storage sotto forma di batterie potrebbe arrivare a 1,1/1,5 Megawattora (MWh) e il restante 3,5/3,2(MWh) sarà dato dall'idrogeno. L'idrogeno non lo si trova in natura disponibile allo stato libero e quindi lo si deve produrre e immagazzinare. L’idrogeno generato utilizzando fonti energetiche rinnovabili, è il cosiddetto idrogeno verde, e permette di raggiungere l'obiettivo zero emissioni in tutto il suo ciclo produttivo e di utilizzo. A oggi comunque la maggior parte della produzione idrogeno deriva da rigassificazione”.

PM - Come si produce l'idrogeno verde?

AB - l’Idrogeno verde si produce tramite l'elettrolisi dell'acqua, cioè io applico energia a un dispositivo che si chiama elettrolizzatore e questo scinde la molecola dell'acqua in molecole di Idrogeno e di ossigeno. Questo processo ha un costo energetico, è un'operazione energivora, cioè consumo più energia di quello che poi dopo l'idrogeno prodotto è in grado di rilasciare. L’idrogeno è verde se l’energia utilizzata per la sua produzione viene da fonti rinnovabili.

PM - Quindi quando ha senso l’idrogeno?

AB - L’idrogeno ha senso quando si ha un surplus di energie rinnovabili o di produzione energetica, quando uno Stato ha una strategia nazionale che ne preveda la grande diffusione oppure, nel caso di un'azienda che, con una produzione estesa di energia da fotovoltaico o da rinnovabili in genere, ne produca più di quanto ne consumi. In entrambi i casi ha senso che con l’energia in esubero si produca idrogeno: quella degli elettrolizzatori è una tecnologia relativamente semplice e disponibile.

PM - E per una nave come si procede?

AB - Se ci fosse una rete di distribuzione di idrogeno nei porti o nelle marine, la utilizzeremo, ma non essendoci e dovendo noi acquisire esperienza in materia, al momento ce lo produciamo direttamente sul posto, nel nostro cantiere di La Spezia dove abbiamo installato il primo modulo B-Zero. Abbiamo visto che è un'opzione percorribile anche sulle barche anche se ovviamente lenta: produrre idrogeno non è come fare un rifornimento di Formula Uno, utilizzare un elettrolizzatore, anche se si tratta di una tecnologia concettualmente semplice, richiede del tempo ed energia; l’elettrolizzatore comunque può essere utilizzato quando lo yacht è in banchina connesso alla rete elettrica per produrre energia stoccabile.

PM Possiamo fare un esempio di scenario operativo quindi?

AB - … un armatore che utilizza lo yacht il weekend: di fatto 5 giorni alla settimana lo yacht è fermo in banchina. È vero che l'equipaggio è a bordo, però la barca è lì, sotto al sole: con pannelli fotovoltaici e disponibilità di corrente dalla banchina saremmo in grado di produrre idrogeno. In quei 5 giorni si riesce a produrre il quantitativo di idrogeno sufficiente per una navigazione di sei ore a 7 nodi più l’energia per la permanenza all'ancora di 26 ore. In termini di produzione di energia ciò significa che ho utilizzato di giorno il fotovoltaico e di notte la presa da terra, ho prodotto l'idrogeno a bordo, lo ho immagazzinato sottoforma di idruri metallici ed ho quindi accumulato una scorta energetica disponibile, non avendo bisogno d’altro visto che l'idrogeno che produce l’elettrolizzatore a 35 bar va direttamente accumulato, non ha bisogno di compressori per passare a pressioni di accumulo più alte (ad es. 350 bar o addirittura 700 bar). Per un week end a zero emissioni.

PM: Quando dice di fare l’elettrolisi dell'acqua, parla di acqua dolce oppure presa dal mare?”

AB: Per uno yacht di 52mt , dotato di dissalatori di bordo è abbastanza iindifferente: possiamo partire dall’acqua già desalinizzata di bordo attraverso opportuni filtri e semplici passaggi al fine di abbassare la sua conducibilità elettrica per purificarla maggiormente e quindi farla diventare compatibile (grazie ad un processo controllato e monitorato) alle necessità dell’elettrolizzatore".

PM: Allora facciamo un'ipotesi di utilizzo della barca per quanto riguarda la crociera in auto produzione d’idrogeno.

AB: Calcolando quindi 5 giorni in cui ho prodotto ed accumulato idrogeno; posso ora partire per esempio per una crociera di un paio d’ore, raggiungere una baia ove trascorrere la notte e le ore del weekend, in modalità silenziosa, completamente a zero emissioni e infine rientrare sempre in modalità elettrica (un weekend lungo per capirci). L’’armatore in questione potrà appunto decidere come utilizzare quel quantitativo di ore disponibili tra batterie ed idrogeno. L’ armatore con la giusta attenzione sulle distanze di navigazione, visto che si tratta della parte più dispendiosa dal punto di vista energetico, potrà comunque (ipotizzando) da La Spezia, andare all'isola d'Elba. Se ci fosse invece la possibilità di una marina ove sia possibile collegarsi ad una stazione di ricarica per l’idrogeno rifornendo tutti i serbatoi di bordo (non impiegando quindi l’elettrolizzatore), potrò raggiungere il massimo dell’energia trasportabile: 4500 kilowatt ora (4,5 MWh) di energia: 1400 kW di batteria e 3100 kW in idrogeno.

PM: Che cosa posso fare con tutta questa quantità di energia?

AB - Immaginiamo che si voglia utilizzare la barca per una settimana, organizzando un charter o un itinerario a tappe, come poi avviene normalmente in questi casi, ipotizzando alla fine della settimana di charter la disponibilità di un un porto oppure di una marina dove sia presente una distribuzione d’idrogeno: dovrò solo decidere quanta parte di questa energia ricavabile dall’idrogeno utilizzare ogni giorno. Il resto dell’energia, invece, è affidato alle batterie, le posso comunque ricaricare ogni notte perché in una marina, dalla rete elettrica oppure posso farlo durante la navigazione, in modo non “green”, grazie ai genset.

PM - Ipotizziamo una crociera ad emissioni zero, quale potrebbe essere lo scenario operativo?

AB - Simulando di voler navigare solo a zero emissioni, gli scenari possibili sono tantissimi. Ho il mio serbatoio di idrogeno pieno, parto con le batterie cariche, e ogni giorno utilizzo il 90% delle batterie e diciamo 1/6 dell'idrogeno disponibile, posso navigare 5 ore a 7 nodi e starmene 9 ore all’ancora sempre con generatori spenti). Quindi io posso uscire al mattino, raggiungere una caletta, la baia prescelta, due ore, due ore e mezza di navigazione: una bella gita, facendo il bagno, pranzando all'ancora… tutto sempre coi generatori spenti, a zero emissioni completamente, nel silenzio. Poi, chiudere la giornata rientrando nella marina per lo stesso percorso fatto all’andata o per la tappa seguente. Questo come detto avviene utilizzando 1/6 dell'idrogeno. Quindi In teoria per una settimana riesco ad utilizzare l’imbarcazione in questo modo in modalità full electric”.

PM - Quanto tempo ci vuole per caricare il 90% di batterie?

AB - Le batterie, parliamo di 1400 kW, possono essere ricaricate nelle ore notturne. Per ricaricare un quantitativo simile di  batterie al 90% ti serve una colonnina da 250A o una colonnina dedicata “Fast”, tipo quelle Tesla Fast per capirci, che hanno una potenza di 150/200 kW/ora. Per fare il calcolo: il 90% di 1400 kW è 1260 kW che ricaricate con una colonnina FAST da 250A richiede quindi dalle 8 ore e mezzo (1260 kW : 150 kW) alle 6 ore e mezzo se ho più potenza (1260 kW : 200 kW).

PM - Qual è l’impatto sugli spazi dell’armatore?

AB - A livello di volumi il contributo più penalizzante è dato dagli elettrolizzatori (comunque moduli opzionali). La Fuel Cell da 200kW richiede meno spazio. Complessivamente per questi due elementi diciamo che su uno yacht di 52 metri, il costo in termini volumetrici equivale a una cabina ospiti. Lo storage va ad occupare un doppio fondo in parte vuoto in parte precedentemente occupato dalle casse del gasolio che andiamo in parte a sacrificare ed in parte a ridistribuire. Gli elementi che portano nuovo sacrificio da gestire nella progettazione sono i volumi di questa nuova tecnologia e il relativo peso che in questo caso aumenta sensibilmente a causa degli accumulatori agli idruri metallici.

PM - Qual è lo svantaggio dello storage in idruri metallici?

AB - Il peso e il costo iniziale per lo sviluppo di questa tecnologia: stiamo però parlando di una filosofia di barca nuova relativamente alle abitudini progettuali del passato. Questa è una tecnologia totalmente nuova. Stiamo concependo un nuovo modo di utilizzare la barca, si rinuncia magari a un po’ di riserva di gasolio, sostituita da accumulatori di idruri metallici e batterie. Questo ragionamento è nato interamente sulla nostra barca da 52 metri, cioè è stata adattata a una piattaforma già esistente per poter installare la tecnologia da idrogeno. Stiamo comunque sviluppando una piattaforma navale completamente nuova dove la tecnologia all’idrogeno è protagonista.

PM - Parliamo di densità energetica, i valori in campo dei nuovi carburanti.

AB - Quella dell’idrogeno, sia compresso che liquido, è di 120 mega joule al kilogrammo (MJ/kg), la densità energetica del diesel è di 42 mega joule al kilogrammo, quella del metanolo è 20. Significa che per l’idrogeno la densità al chilogrammo è elevata ma è bassissima quella volumetrica. Per Il diesel per capirci lo stesso valore è 42 per unità di peso, quindi è più bassa dell'idrogeno, però quello volumetrica è molto maggiore. Il metanolo è una via di mezzo. Per capirci, 1 kg di Idrogeno ha molta più energia di 1 kg di diesel (quasi tre volte), il problema è che per contenere 1 kg di idrogeno insieme mi serve un volume molto maggiore rispetto a quello di 1 kg diesel (che ospito in 0,86 decimetri cubici), per un chilo di idrogeno mi ci vuole un volume molto più grande anche se lo comprimo. Cambiamo unità di misura per cercare ancora di spiegare questo concetto, un metro cubo di idrogeno compresso a 700 bar ha 7,5 giga joule (unità di misura dell'energia, del lavoro e del calore), il diesel ne ha 36 e il metanolo 15. Il problema dell’idrogeno è che ha bassissimi valori di densità energetica per volume.

Filippo Ceragioli