Sistemi energetici ibridi ad idrogeno solare per ... - La Termotecnica

energia & edilizia
di G. Zini, S. Pedrazzi
e P. Tartarini
Sistemi energetici ibridi
ad idrogeno solare
per uso residenziale
Un sistema ibrido a idrogeno solare è un insieme di sottosistemi di
differente tecnologia (fotovoltaico, elettrolizzatore, fuel-cell, stoccaggio,
tubazioni e componentistica, logica e sistemi di controllo elettronici
ed elettrici). Esso è capace di immagazzinare, sotto forma di
idrogeno, l’energia proveniente dalla radiazione solare e convertirla
in energia elettrica e termica quando richiesto dall’utilizzatore [Rom04,
Lod97]. Molti studi recenti hanno tentato di dimostrare come sia possibile
costruire, in un prossimo futuro, una economia basata su fonti
energetiche rinnovabili, contrapposta all’attuale economia fondata
principalmente sull’impiego di fonti energetiche fossili. Molte sono le
difficoltà da superare per poter realizzare sistemi e infrastrutture, ma
risolverle permetterebbe di assicurare una totale indipendenza energetica
al paese che le adottasse [Pen06, Abd99, Sch99b]. Sistemi ibridi
di questo tipo stanno quindi ricevendo molta attenzione proprio per
la loro capacità di catturare e immagazzinare l’energia da fonti rinnovabili,
che sono, per natura, altamente irregolari. Immagazzinare
energia in particolare sotto forma di idrogeno consenttirebbe altresì di
avere a disposizione un combustibile sostitutivo del petrolio per usi nonstazionari,
quali l’alimentazione di mezzi di trasporto o di dispositivi
portatili come cellulari o computer portatili. Nel presente lavoro verrà
trattata la descrizione matematica di un sistema ibrido a idrogeno
solare, e verranno descritti i risultati di performance di un sistema
virtuale che ne simula e studia il comportamento operativo. Saranno
poi riportati due esempi di realizzazioni pratiche di impianti
residenziali, traendo infine alcune conclusioni che permetteranno di
avere un quadro più completo su questi sistemi.
Il sistema ibrido è mostrato in Fig. 1 [BA06]. Il sistema fotovoltaico, che
converte energia solare in energia elettrica, è collegato tramite un boost-converter
(step-down DC-DC converter) al bus-bar in corrente continua
che agisce da distributore di potenza elettrica di tutto il sistema
ibrido. L’elettrolizzatore, ricevendo potenza attraverso un buck-converter
(step-up DC-DC converter) collegato al bus-bar, produce idrogeno
ed ossigeno per elettrolisi dell’acqua; i due gas sono quindi compressi
e stoccati nelle bombole. Se il carico richiede energia elettrica
in quantità superiore a quella prodotta dal sistema fotovoltaico ad
esempio in condizioni meteo sfavorevoli o di notte, la fuel-cell riutilizza
l’idrogeno e ossigeno producendo energia elettrica che va ad alimentare
il bus-bar tramite un boost-converter. La potenza elettrica è
infine fornita al carico tramite un inverter DC/AC sempre collegato al
bus-bar; per garantire un funzionamento lineare e senza interruzioni,
una batteria mantiene sotto tensione il bus-bar entro un range adeguato
di potenza. La radiazione solare (espressa in W/m 2 ) che raggiunge
la superficie della terra può considerarsi come suddivisa in due
componenti, diretta G b e diffusa G d . Un sistema fotovoltaico intercetta
una porzione di entrambe le componenti oltre a parte di entrambe
le componenti che vengono riflesse [LJ63, DB80]. L’irraggiamento solare
totale è quindi espresso da:
G T = G b R b + G d R d + (G b + G d ) R r
dove R b , R d ed R r sono fattori che tengono conto delle caratteristiche del
sito e della realizzazione del sistema fotovoltaico. Quest’ultimo viene
caratterizzato tramite un modello che ne approssima il comportamento
reale; la caratteristica (V-I) del circuito equivalente si esprime come [Ull03]:
dove I L è la corrente del foto-diodo generata quando il diodo è irraggiato
dalla radiazione solare, I 0 è la corrente di saturazione inversa del
diodo, R s è la resistenza serie del circuito equivalente, R sh è la resistenza
di shunt (rappresentativa delle correnti di dispersione all’interno della
cella). Il parametro a è uguale a NKT/q dove K è la costante di Boltzmann,
T la temperatura, q la carica dell’elettrone, mentre N è un parametro
che tiene conto della tecnologia del diodo. I L , I 0 , R s , R sh , e a sono
i cinque parametri necessari per caratterizzare completamente il comportamento
del sistema fotovoltaico. L’elettrolizzatore viene pilotato
dalla potenza P el attraverso il buck converter collegato al bus-bar
[BA06]. La tensione può essere espressa dalla relazione empirica:
Descrizione matematica del sistema
Ing. Gabriele Zini, ing. Simone Pedrazzi, prof. Paolo Tartarini, Facoltà di Ingegneria
dell’Università di Modena e Reggio Emilia
FIGURA 1 - Schema del sistema ibrido
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con T el la temperatura dell’elettrolita e V el,0 , C 1,el , C 2,el , I el,0 , R el parametri
determinati per via sperimentale che tengono conto della tecnologia
costruttiva dell’elettrolizzatore. Per studiare la compressione e lo
stoccaggio dei gas, sfruttiamo una compressione politropica di lavoro
e potenza data da [DB07]:
dove ṅ gas è il flusso del gas, η comp è l’efficienza del compressore (disponibile
tra i dati di targa forniti dal costruttore), m è il coefficiente della politropica,
R è la costante universale dei gas, T in,c è la temperatura di ingresso
al compressore, p in,c e p out,c sono le pressioni di ingresso e uscita con i
gas considerati ideali. La relazione empirica che descrive il funzionamento
della fuel-cell ha moltissime analogie con quella dell’elettroliz zatore; la
caratteristica (V fc -I fc ) infatti si può esprimere come [BA06]:
dove T fc è la temperatura operativa della fuel-cell che, per la tecnologia
PEM si assume costante a 70 °C, mentre anche in questo caso i parametri
nell’equazione dipendono dalla tecnologia della fuel-cell adottata
[Ull03]. Le batterie agiscono come un serbatoio di energia per smorzare
i cicli on/off dell’elettrolizzatore e della fuel-cell. Definiamo per esse lo
stato di carica SOC (State Of Charge) attraverso la seguente relazione:
dove E(t) è l’energia incarica/scarica funzione del tempo ed E max la carica
totale massima della. Lo stato di carica è espresso come una percentuale
e fornisce la porzione di energia stoccata disponibile per l’uso.
Per coordinare il sistema complessivo di tale complessità si rende necessario
programmare una logica di controllo in un dispositivo (quale un PLC o
PC industriale) che monitorizzi le condizioni di lavoro di tutti i sotto-sistemi
e ne decida la gestione. La flow-chart associata al processo decisionale si
basa sull’equazione di bilancio del bus-bar dove le correnti in ingresso hanno
segno positivo mentre le correnti in uscita hanno segno negativo:
I pv→bus - I bus→el - I bus→comp + I fc→bus - I bus→load ± I bat↔bus = 0
Quando il campo fotovoltaico non converte abbastanza potenza per
alimentare il carico (I pv→bus < I bus→load ), la batteria “riempie il vuoto”
fornendo I bat→bus (dalla batteria al bus-bar). Se il SOC raggiunge un
minimo (impostato a 25 %), la logica di controllo disconnette la batteria
e attiva la fuel-cell per fornire la corrente aggiuntiva necessaria.
Altrimenti, se I pv↔bus > I bus↔load , la fuel-cell è disconnessa e le batterie
ricaricate con una I bat↔bus (di segno negativo perché fornita dal busbar).
Quando le batterie raggiungono il massimo SOC (impostato a 85
%) vengono scollegate e l’elettrolizzatore ed il compressore sono attivati
per produrre e stoccare idrogeno ed ossigeno. Altre logiche di controllo
possono essere realizzate ad esempio temporizzando
l’accensione e lo spegnimento della batteria, oppure controllando il
livello di carica del bus-bar. Il sistema virtuale a idrogeno solare che
abbiamo simulato è caratterizzato dai parametri riassunti in Tabella 1.
I risultati della simulazione confermano l’idea che il sistema ibrido è
capace di lavorare in condizioni autonome senza la necessità di richiedere
energia da rete esterna. La producibilità annuale di idrogeno
mostra una stagionalità con produzione primaverile superiore a 6 * 10 -
3 mol/s ed invernale di 4 * 10 -3 mol/s. Il consumo annuo di idrogeno
nella fuel-cell e la potenza elettrica prodotta dalla fuel-cell stessa (Figura
2 a sinistra) sono strettamente dipendenti dalla combinazione delle
condizioni del meteo e del carico da alimentare; tra il 220 mo ed il 240 mo
giorno dell’anno considerato nella simulazione, le condizioni meteo
sono state caratterizzate da irraggiamento solare inferiore alla media,
aumentando di conseguenza il consumo di idrogeno per compensare
la diminuita producibilità fotovoltaica. La produzione di idrogeno ha
un andamento stagionale molto marcato (Figura 2 a destra). Alla fine
dell’anno, il serbatoio ha immagazzinato un surplus di 1,256 kg rispetto
alla carica iniziale; questo conferma la capacità del sistema di lavorare
in modalità stand-alone, permettendo ai progettisti di concepire
ulteriori utilizzi dell’idrogeno in eccesso come, ad esempio, l’utilizzo in
batterie per dispositivi portatili o applicazioni non stazionarie.
Impianto residenziale a Zollbruck, Svizzera
Presso la cittadina di Zollbruck in Svizzera un intraprendente padrone
di casa ha montato presso la propria residenza un sistema di
Fotovoltaico Elettrolizzatore Performance del sistema ibrido
Potenza nominale (kWp) 5,597 Potenza nominale (kW) 5 Efficienza complessiva sistema (%) 7,08
Efficienza di modulo (%) 12,7 Efficienza (%) 70 Energia prodotta (kWh/anno) 6770
Superficie (m 2 ) 41,92 Producibilità (mol/s) 4,4-6,2 Produzione di H 2 (kg/kWp) 16,29
Producibilità annua (kWh) 10752 Numero di celle 24 Surplus di H 2 a fine anno (kg) 1,256
Pressione (Pa) 101325 Efficienza del sistema fotovoltaico (%) 12,72
Fuel-Cell Tensione (V) 26-48 Efficienza elettrolizzatore (%) 52,08
Potenza nominale (kW) 5 Efficienza Buck-Converter (%) 95 Efficienza fuel-cell (%) 63,16
Consumo (mol/s) 3,9-7,1
Numero di celle 35 Batteria
Tensione (V) 26-48 Carica totale (kWh) 10
Efficienza Buck-Converter (%) 95 SOC min (%) 25
SOC max (%) 85
Compressore e Stoccaggio Tensione (V) 48
Coefficiente della politropica 1,475 Efficienza Inverter (%) 95
Efficienza (%) 92
Stoccaggio iniziale H 2 (kg) 6 DC Bus-Bar
Volume stoccabile (m 3 ) 4 Tensione (V) 48
TABELLA 1 - Parametri
e performance del sistema
ibrido simulato
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FIGURA 2 - Potenza elettrica prodotta dalla fuel cell (a sinistra)
e variazione della massa di idrogeno nel serbatoio (a destra)
in un periodo di un anno
generazione, stoccaggio ed utilizzo di idrogeno prodotto da energia
elettrica fotovoltaica e energia elettrica prelevata dalla rete.
Caratteristica principale di tale installazione, oltre alla sua originalità,
è l’assemblaggio quasi completamente realizzato partendo da com -
ponenti commerciali. Il sistema è attivo dal 1991 ed è quotidianamente
gestito, in modo quasi esclusivamente manuale, direttamente dal
proprietario [Hol00]. Sul tetto dell’abitazione è stato installato un
campo fotovoltaico da 5 kW p , per una superficie impegnata di 65 m 2
ed efficienza media di 8,4%.
Altri componenti del sistema, posizionati in due locali di circa 10 m 2 al
primo piano della casa, sono un convertitore DC-DC con un’efficienza
del 95%, un elettrolizzatore alcalino a membrana da 5 kW con 62% di
efficienza media, una unità di purificazione dell’idrogeno, un
compressore, due serbatoi a idruri metallici, uno fisso da 15 Nm 3 per
alimentare elettrodomestici quali un forno e una lavatrice, ed uno
mobile da 16 Nm 3 per alimentare un minibus ad idrogeno. Da notare
che l’energia termica prodotta dal sistema viene perduta in atmosfera
e non recuperata in alcun modo. La performance del sistema è stata
misurata su un periodo di tre giorni estivi. La mattina del test le
condizioni meteo erano soleggiate, ma a partire dalle ore 13.00 si sono
presentate le prime nubi che hanno portato a forti variazioni di corrente
nell’elettrolizzatore; verso le ore 17.00 l’elettrolizzatore si è spento, per
poi riaccendersi brevemente subito dopo fino allo spegnimento
definitivo alle ore 17.30 (Figura 3). Durante il funzionamento si è notato
che se la pressione dell’idrogeno prodotto superava il limite superiore
FIGURA 3 - Irraggiamento, produzione di idrogeno,
corrente e temperatura misurate nel giorno del test [Hol00]
del serbatoio a idruri, l’idrogeno veniva scaricato in ambiente. Il
compressore si è acceso 10 volte, per una produzione totale di 6 Nm 3
con un primo scarico di idrogeno verso le ore 13.00, un secondo verso
sera per una perdita totale di idrogeno di circa 7,3 Nm 3 .
I 293 GJ ricevuti in un anno dal campo fotovoltaico (65 m 2 di moduli
FV che ricevono 4.020 MJ/m 2 annui) sono diventati:
- 24,5 GJ di energia elettrica pre-conversione DC-DC o 23,4 GJ al
netto del trasformatore DC-DC che vengono forniti allo stadio
successivo (con un efficienza quindi dell’8,4%);
- di questi, solo 18,6 GJ sono utilizzati dall’elettrolizzatore mentre il
resto (4,9 GJ) viene reimmesso in rete o utilizzato per ricaricare le
batterie per i sistemi ausiliari (3 GJ annui);
- di questi, vengono immagazzinati sotto forma di idrogeno 11,5 GJ
(1148 Nm 3 ) con un’efficienza dell’elettrolizzatore del 62%;
- di questi, solo 10,6 GJ rimangono dopo il sistema di trattamento e
purificazione dell’idrogeno.
L’efficienza del sistema per la conversione della luce solare diretta in
energia chimica è intorno al 3,6%. Questo valore, piuttosto basso, può
essere aumentato introducendo un sistema di controllo automatico che
ottimizzi la gestione evitando perdite di idrogeno ed aumentando la
capacità di stoccaggio (stimato intorno ai 200 Nm 3 ) così da ottenere un
funzionamento praticamente indipendente dalla alimentazione di rete.
Un sistema residenziale a idrogeno solare
e biogas: il progetto GlashusEtt, Svezia
A Stoccolma, l’Agenzia Svedese per l’Energia ha finanziato la
realizzazione della GlashusEtt (dallo svedese “casa di vetro uno”), un
edificio adibito a centro informativo e spazio espositivo volto a
propagandare stili di vita sostenibili [Hed04]. Oltre a principi costruttivi
ad alta efficienza energetica (ad esempio, la facciata dell’edificio di tre
piani è in vetro a bassa trasmittanza) e l’utilizzo di una caldaia a
biogas, è stato installato un sistema ibrido a idrogeno solare affiancato
ad un impianto più tradizionale allacciato alla rete (Figura 4). Nel
sistema sono presenti anche un sistema di reforming per la produzione
di idrogeno da gas naturale ed un recupero del calore prodotto dalla
fuel cell destinato ad integrare il riscaldamento dell’edificio.
Il campo fotovoltaico è costituito da moduli policristallini di efficienza
11,9% installati sulla copertura a shed dell’edificio per una superficie
coperta di 25 m 2 ; sotto lo shed sono installati gli inverter per la
conversione della corrente DC in AC e l’allacciamento all’impianto
dell’edificio. Alla fuel-cell è collegato un serbatoio d’acqua che
dovrebbe essere utilizzato come scambiatore di calore per recuperare
l‘energia termica. In realtà l’accumulatore (da 500 l) si è rivelato di
dimensioni inadeguate, causando il mancato recupero di una parte
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nemente; ad esempio, la complessità dei sistemi periferici è tanto mag -
giore quanto maggiore è la dimensione dell’impianto e l’integrazione dei
sistemi, soprattutto per quanto concerne la sicurezza e l’operatività
corretta ed efficiente. È possibile comunque operare un sistema ibrido in
notevole sicurezza, fatte salve le competenze dei progettisti e degli
operatori in materia di sicurezza e manutenzione [Szy98].
Bibliografia
FIGURA 4 - Spaccato dell’edificio GlashusEtt con la
disposizione dei sistemi tradizionale e alternativo [Hed04]
dell’energia termica prodotta dalla fuel-cell. L’elettrolizzatore è
collegato sia al campo fotovoltaico sia alla rete elettrica, potendo quindi
lavorare con entrambe le modalità AC e DC. La produzione di idrogeno
viene confinata nel sottotetto dove sono posizionate anche le bombole
per lo stoccaggio in pressione. Le bombole hanno una capacità di 50
l ciascuna e sono collegate senza necessità di compressore direttamente
all’elettrolizzatore. Il sistema è controllato da un’unità di controllo e
data-logging. Le misure hanno mostrato come l’efficienza elettrica della
cella a combustibile sia del 13%, quella termica del 56%, mentre
l’efficienza dell’elettrolizzatore risulta essere del 43%.
Conclusioni
Dal punto di vista ambientale, usare fotovoltaico per la generazione di
idrogeno è una scelta ottimale, e la combinazione di un sistema
fotovoltaico con elettrolizzatore funziona egregiamente [Leh97,
AElS05], anche se un sistema di controllo automatico è fondamentale
per l’uso ottimizzato del sistema [Cha03, Lit07]. Nel caso di impianti
ad alta fluttuazione della potenza da fonti rinnovabili, è indicato
l’utilizzo di sistemi di back-up (batterie) per stabilizzare la tensione in
ingresso allo stadio di elettroliz -
zazione, molto sensibile ai cicli
di accensione e spegnimento
causati da un’insufficiente cor -
rente in ingresso [Lit07], anche
se le fluttuazioni dovute alle va -
riazioni di irraggiamento solare
tendono a essere filtrate dal si -
stema a valle [Hol95]. L’integrazione
dei sotto-sistemi in un unico
sistema ibrido corretta mente fun -
zionante è molto più complesso
di quanto si possa ritenere comu -
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