Nauticontest, New Era, nuovo progetto selezionato
Progettista – Lorenzo Lippi
Università/Scuola di Specializzazione – Università di Genova
Corso di Laurea/Master – Laurea magistrale in Design Navale e Nautico
Anno conseguimento titolo di studio – 2020
Introduzione
“Credo che un giorno l’acqua sarà usata come combustibile, che l’idrogeno e l’ossigeno che la costituiscono, usati da soli o simultaneamente, forniranno una fonte di calore e di luce inesauribile e di un’intensità che il carbone non può avere.” Mai come oggi, queste parole, scritte nel 1874 da Jules Verne per il suo romanzo “L’Isola Misteriosa”, ritrovano vigore, risultando puntuali ed estremamente attuali. Basti pensare all’industria dell’automobile che, in questi ultimi tempi, sta investendo come non mai nell’auto a idrogeno.
Inoltre, oggi, con lo sviluppo e la diffusione di fonti di energia rinnovabile (solare, eolico ecc.) l’idrogeno rappresenta un sistema green di stoccaggio dell’energia prodotta. E oggi si stanno studiando e sviluppando nuovi sistemi, economici e sicuri, per il suo stoccaggio. Sistemi che superano il metodo classico, dispendioso e pericoloso, ad alte pressioni e/o a basse temperature.
Tutto questo impone una riflessione anche nel campo della nautica da diporto dove, nonostante ogni giorno venga annunciata una nuova barca “green”, le reali esperienze per yacht totalmente sostenibili sono davvero poche e, spesso, ancora in veste decisamente sperimentale.
In questo scenario, al neolaureato Lorenzo Lippi va dato il merito di aver studiato in modo serio e completo la reale possibilità di un grande yacht alimentato completamente ad idrogeno.Uno yacht di 50 metri completamente sostenibile dal punto di vista energetico: il NEW ERA. Per il suo progetto Lorenzo è partito da un’imbarcazione esistente, lo yacht Elettra S502H dei cantieri Tankoa, che è stato modificato introducendo gli impianti necessari per una alimentazione completamente ad idrogeno, operazione che ha reso necessari anche modifiche al layout ed al design esterno.
Si tratta, quindi, di un progetto che esce un po’ dai canoni del NautiContest che, generalmente, prevede lo studio e lo sviluppo dell’intero progetto della nave. Al contempo, il grado di innovazione e di difficoltà che Lorenzo ha inserito nel suo progetto, nonché la serietà e la completezza con cui è stato sviluppato, rendono il suo lavoro estremamente interessante e, dunque, meritevole della vetrina del NautiContest.
L’idrogeno
Le fuel cell, o celle a combustibile, consentono di convertire direttamente l’energia chimica dell’idrogeno in energia elettrica tramite un processo molto efficiente in cui l’idrogeno viene combinato con l’ossigeno per formare acqua ed energia. In pratica, l’unico prodotto di scarto è acqua o vapore acqueo, eliminando completamente le emissioni di CO2. Il problema, fino ad oggi, è stato semmai quello inverso, ovvero quello di reperire l’idrogeno che non si trova libero in natura. Non a caso, la maggior parte di esso è oggi ricavata da combustibili fossili (generalmente dal metano) con conseguenti emissioni-serra. Ma ne esiste anche un’altra fonte, praticamente inesauribile: l’acqua.
Con l’elettricità è infatti possibile separare le molecole dell’acqua in ossigeno e idrogeno. Parliamo dell’elettrolisi, un processo pulito (emette ossigeno) ma energivoro, che conviene solo nelle occasioni in cui ci sia molta energia a disposizione, come nel caso delle energie rinnovabili la cui produzione non può essere gestita secondo le necessità e la cui crescente produzione sta creando problemi alle reti nazionali che necessitano di forme di stoccaggio energetico. Lo chiamano «idrogeno rinnovabile», una definizione piuttosto discutibile, anche se sintetica: bisognerebbe forse dire «idrogeno ricavato dall’elettrolisi tramite energia rinnovabile».
È questa la chiave del crescente interesse verso l’idrogeno che, in pratica, diventa un carburante green che può essere prodotto sia a terra sia a bordo per mezzo di un processo altrettanto green.
Un nuovo modo per stoccare l’idrogeno
Parallelamente al problema della produzione dell’idrogeno, l’altro problema che fino ad oggi ha limitato la diffusione di questo carburante è stato quello del suo stoccaggio. Negli ultimi anni, a fianco alle classiche tecniche di stoccaggio e conservazione, compresso ad alta pressione o liquefatto a bassa temperatura (immagazzinamento criogenico) per ovviare alla limitata densità energetica volumetrica, tutte tecniche molto dispendiose in termini energetici e intrinsecamente pericolose, si stanno studiando e diffondendo altri sistemi basati sulla miscelazione dell’idrogeno con altri elementi, quali idruri di vario tipo o idrocarburi sintetici.
Per New Era, Lorenzo ha pensato a un sistema basato sull’LOHC (Liquid Organic Hydrogen Carriers): una tecnologia che consente lo stoccaggio sicuro ed efficiente in un olio facilmente trasportabile, eliminando la necessità di serbatoi di idrogeno pressurizzati. Si tratta di una miscela composta da idrogeno e un legante (dibenziltoluene), il quale confluisce le caratteristiche chimico-fisiche al liquido. Questo legante forma un idrogeno poco infiammabile e non esplosivo, eliminando i rischi connessi allo stoccaggio e al trasporto.
La miscela ha, infatti, proprietà fisico-chimiche simili a quelle del Diesel e una buona densità di stoccaggio. Quindi è una miscela sicura perché non c’è idrogeno molecolare presente, è difficilmente infiammabile e non esplosiva, anche quando caricata con idrogeno, non è tossica e non è classificata come pericolosa. È quindi trasportabile e immagazzinabile in normali impianti per i carburanti, a temperatura e pressione ambiente, e distribuibile nelle infrastrutture o stazioni di servizio esistenti. La fase di idrogenazione è un processo esotermico che avviene in un apposito macchinario capace di produrre 240 l/h di miscela (LOHC +) che viene poi indirizzata nei serbatoi di stoccaggio da dove, quando serve, viene prelevata per il processo inverso, quello della deidrogenazione (LOHC -) durante la quale l’idrogeno viene estratto per essere inviato alle fuel cell.
Il processo di rilascio dell’idrogeno è, invece, endotermico, ovvero necessita di calore che può essere ricavato da altre fonti come calore disperso, elettricità o dallo stesso idrogeno. Tutto il sistema, durante le due fasi (idrogenazione-deidrogenazione), è stabile e senza perdite di idrogeno. Un litro del vettore di energia può immagazzinare un equivalente di 1 kWh di energia termica o, dopo la riconversione, 1 kWh di energia elettrica.
Verso lo yacht ad idrogeno: studio di un caso reale
Come accennato all’inizio, il progetto “New Era” è costruito sullo yacht Elettra S502H dei cantieri Tankoa, che Lorenzo ha avuto modo di conoscere nel dettaglio durante il suo tirocinio pre-laurea proprio presso quei cantieri, seguendo direttamente le ultime fasi della costruzione e dell’ allestimento.
“La finalità del lavoro di ricerca e di progetto – ci racconta Lorenzo – è stata quella di sviluppare un nuovo yacht sulla base di Elettra S 502 H, una lussuosa unità a motore dislocante con scafo e sovrastruttura in lega leggera, con l’obiettivo di creare un’imbarcazione innovativa a emissioni zero.”
Così, al posto della originale propulsione ibrida, diesel-elettrica, progettata per Elettra, Lorenzo ha studiato una propulsione totalmente elettrica alimentata da fuel cell e un sistema di produzione, gestione e stoccaggio dell’energia a bordo che combina in modo innovativo tecnologie esistenti per ottenere un sistema ancora mai realizzato. In questo sistema l’idrogeno è un carburante alternativo, il vettore energetico dal quale si ricava energia elettrica che può essere rigenerato a bordo grazie all’utilizzo integrato delle energie rinnovabili.
Per inciso, Elettra è opera dello studio Francesco Paszkowski Design, per quel che riguarda il design degli esterni, e dello Studio Francesco Rogantin, per quanto riguarda l’ingegneria. Varato nel maggio 2019, Elettra è uno yacht destinato al charter di lusso.
Con l’idrogeno a bordo
Con l’idrogeno a bordo tutto è diverso: il modo di concepire la sala macchine, di gestire l’energia, produrla, accumularla: tutto è nuovo. Questa è stata la vera sfida che Lorenzo ha affrontato nell’elaborazione della sua tesi: immaginare e definire un grande yacht full idrogeno.
Come abbiamo detto, Lorenzo ha sviluppato il suo progetto utilizzando tecnologie esistenti, per quanto recenti e in continua evoluzione. Il processo di gestione dell’energia studiato si basa sull’utilizzo di un sistema innovativo di stoccaggio dell’idrogeno attraverso l’LOHC (Liquid Organic Hydrogen Carriers), una miscela liquida di idrogeno e metalli dove è possibile stoccare in sicurezza l’idrogeno stesso. Il prodotto è un olio minerale con caratteristiche fisico-chimiche simili a quelle del Diesel, con una discreta densità di stoccaggio per la quale è possibile utilizzare la normale rete di distribuzione di bordo. In pratica, l’LOHC può assorbire e rilasciare l’idrogeno con delle opportune operazioni e macchinari (vedi box di approfondimento). Grazie alla bassa infiammabilità della miscela, si è potuto mantenere lo stesso sistema distributivo per i serbatoi di stoccaggio di Elettra S502 H, posizionati in modo sicuro anche sotto le cabine. Anche in termini di volumi imbarcati, la quantità di miscela LOHC a bordo è sovrapponibile al gasolio previsto per lo yacht originale.
La miscela LOHC può essere imbarcata già idrogenata (arricchita di idrogeno) direttamente dalla rete di terra (ovviamente quando sarà disponibile) oppure essere idrogenata a bordo grazie a un elettrolizzatore che produce idrogeno dall’acqua marina dissalata utilizzando l’energia elettrica prodotta dai pannelli fotovoltaici che Lorenzo ha previsto in grandi quantità. Quando serve energia elettrica è possibile estrarre l’idrogeno dall’LOHC (deidrogenazione) e utilizzarlo per le fuel cell che produrranno energia elettrica per le esigenze di bordo, la propulsione e l’hotel.
Ovviamente è previsto un imponente pacco batterie per far fronte ai picchi di richieste di energia.
I componenti di uno yacht ad idrogeno
Con l’idrogeno a bordo tutto è diverso, tutto è nuovo, l’abbiamo appena detto. E nuovi e diversi saranno i componenti che vanno a costituire il sistema. Vediamoli in rapida successione, dalla produzione di energia elettrica al suo utilizzo finale.
Pannelli fotovoltaici. Ogni superfice utile è stata utilizzata per produrre energia dal sole. E, laddove non c’era più superficie disponibile, è stata creata ad hoc. Parliamo di una superficie complessiva di 240 metri quadrati di pannelli fotovoltaici ad alta efficienza (0.4 kW/m^2) in grado di fornire ben 96 kW complessivi di potenza di picco, a cui si aggiungono 37 metri quadri di tessuto fotovoltaico per sfruttare le coperture mobili previste a bordo. Si tratta di pellicole fotovoltaiche incapsulate in tessuti flessibili (tendalini, tende) dalla resa però ancora limitata: solo 0.03 kW/m^2, che rendono, complessivamente poco più di 1 kW di potenza di picco. Una tecnologia poco matura e poco efficiente che oggi, forse, non ha ancora molto senso utilizzare, specie su New Era, visti i numeri in gioco.
Dissalatore. Un impianto di dissalazione dell’acqua è normale su un grande yacht. Nel caso di New Era l’acqua di mare che viene pompata e dissalata utilizzando l’energia solare, viene poi immagazzinata a bordo e utilizzata sia per i servizi di hotel sia per il processo di produzione di energia elettrica.
Elettrolizzatore. Serve per produrre idrogeno dall’acqua mediante elettrolisi. La molecola d’acqua, fornendo energia elettrica, viene scissa nei suoi componenti (idrogeno e ossigeno). È un processo che richiede grandi quantitativi di energia elettrica, nel caso specifico fornita dai moduli fotovoltaici.
LOHC. Sistema di stoccaggio dell’idrogeno basato su una miscela di idrogeno e metalli (Liquid Organic Hydrogen Carriers) che viene idrogenata quando si “inserisce” idrogeno e deidrogenata quando si “estrae” (vedi box tecnico).
Fuel Cell. 16 stacks di fuel cell consentono di generare 2000 kW di energia elettrica totale. Si tratta di celle attive ultrasottili ad alta densità di potenza dove idrogeno e ossigeno vengono ricombinati generando elettricità e acqua come prodotto di scarto. In questo modo si è chiuso il ciclo senza emissioni inquinanti. Le fuel cell stacks sono posizionate in un apposito locale adiacente all’apparato motore.
Batterie. 28 batterie da 50 kWh, per complessivi 1.400 kW immagazzinabili, servono ad avere un “serbatoio” per immagazzinare o prelevare energia elettrica.
Motori elettrici. Per la propulsione, la scelta è stata quella di mantenere i due motori elettrici a magneti permanenti previsti per Elettra (2 x 300 kW) e accoppiarli con altri due identici, in modo da raddoppiare la potenza erogata e soddisfare al 100 {2e3577d2bd6aebaa150c85c33fcd353783f1aa6c690283591e00ef60b3336fc8} la richiesta di potenza per la propulsione.
Il progetto: tutto per essere green
Che cosa è stato modificato per far diventare Elettra uno yacht a idrogeno? E, come? Ovviamente la sala macchine e i locali tecnici, ma non solo. Ecco cosa ci scrive a riguardo lo stesso Lorenzo.
“Tutte le parti riguardanti la nuova propulsione sono state distribuite con una certa logica con spazi dedicati al funzionamento del sistema, determinando il cambiamento del layout presente, in primo luogo modificando la parte poppiera della beach club, spostando il tender da poppa a prua e riprogettando uno spazio più ampio e aperto per la parte prodiera. Al contempo, è stato volutamente mantenuto lo stesso numero di cabine per passeggeri e per l’equipaggio. Sull’esterno si è lavorato per ricavare il più possibile zone aperte, per prendere il sole, sfruttando e ricavando così aree utili per il posizionamento di moduli fotovoltaici e tessuto solare estraibili.
Ad esempio, il fly è stato ridisegnato aumentando la superficie verso prora e creando così una zona pannellata fissa. Anche il profilo è stato ridisegnato, pensando a un arco, completando quell’avviamento presente nella versione precedente e creando un senso di continuità tra scafo, rimasto tale, e sovrastruttura. La richiesta di riduzione della parte vetrata sullo scafo è stata soddisfatta con la creazione di nuove vetrate che non riducono la quantità di luce ottenibile con il design precedente ma consentono un minor scambio termico”.
Quindi un intervento di refit totale che ha mantenuto inalterata la gradevolezza e lo stile dello yacht. Cosa per nulla scontato, visto che Lorenzo ha avuto l’ardire di rielaborare un bel progetto di un designer di razza come Francesco Paszkowski.
Scheda tecnica
M/Y NEW ERA
Lunghezza f.t.: m 49,80 – Larghezza max: m 9.40 – Immersione: m 2.21 – Dislocamento: 391 t – Materiale di costruzione:
Lega leggera di allumino – Motorizzazione elettrica: 4 x 300 kW – Moduli fotovoltaici: 240 m2 x 96 kW – Elettrolizzatore:
da 3.6 kW (produce 650 L/h di idrogeno) – Batterie: n. 28 da 50 kWh – Fuel Cell: n. 16 x 125 kW – Serbatoio LOHC: 76 m3.
Scheda personale
Lorenzo Lippi
Classe ’94, ha conseguito la laurea magistrale in design navale e nautico presso il prestigioso Polo Marconi di La Spezia (Università degli studi di Genova).
Oggi, grazie al tirocinio svolto nel cantiere Tankoa Yachts S.p.A., promuove il suo progetto di tesi magistrale volto a sviluppare uno yacht a propulsione elettrica alimentato a idrogeno, dal nome New Era.
Attualmente è assistant designer presso lo stabilimento Fincantieri S.p.A. di Sestri Ponente, con il compito di elaborare la documentazione relativa alla progettazione esecutiva e preparare gli elementi tecnico/gestionali necessari per lo svolgimento delle attività di produzione, fornendo al contempo assistenza tecnica.<p style=”text-align: center;”></p>
