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PROGRAMMA DI RICERCA
italiano - english
Unità di Ricerca
Programmi di ricerca simili:
- 1 - CRITERI E METODI PER L’OTTIMIZZAZIONE DI SISTEMI DI POLIGENERAZIONE DI PICCOLA E MEDIA TAGLIA
- 2 - STUDIO PROGETTO ED OTTIMIZZAZIONE DI UN SISTEMA FOTOVOLTAICO MODULARE A CONCENTRAZIONE INTEGRATO CON SISTEMA DI RECUPERO DEL CALORE E RELATIVA INTERFACCIA DI CONVERSIONE
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- 8 - Strumenti e metodi per l'evoluzione delle reti di subtrasmissione e distribuzione nei mercati elettrici liberalizzati
Classificazione scientifico-disciplinare
- Area scientifico disciplinare: Ingegneria industriale e dell'informazione
Classificazione brevettuale
- ELECTRICITY
- BASIC ELECTRIC ELEMENTS
- PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL INTO ELECTRICAL ENERGY (electrochemical processes or apparatus in general C25; semiconductor or other solid state devices for converting light or heat into electrical energy H01L, e.g. H01L31/00, H01L35/00, H01L37/00)
- BASIC ELECTRIC ELEMENTS
- MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING ENGINES OR PUMPS
- MACHINES OR ENGINES IN GENERAL (combustion engines F02; machines for liquids F03, F04); ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
- STEAM ENGINE PLANTS; STEAM ACCUMULATORS; ENGINE PLANTS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; ENGINES USING SPECIAL WORKING FLUIDS OR CYCLES (gas-turbine or jet-propulsion plants F02; nuclear power plants, engine arrangements therein G21D)
- MACHINES OR ENGINES IN GENERAL (combustion engines F02; machines for liquids F03, F04); ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
Classificazione geografica
- Regione: Emilia Romagna
Parole Chiave
MICRO COGENERAZIONE, GENERAZIONE DISTRIBUITA, TERMOFOTOVOLTAICO (TPV), CELLE A COMBUSTIBILE PEM, MICRORETICOGENERAZIONE DISTRIBUITA PER APPLICAZIONI CIVILI-RESIDENZIALI: SVILUPPO E SPERIMENTAZIONE DI MICRO-COGENARATORI BASATI SU TECNOLOGIE INNOVATIVE E DI UNA METODOLOGIA INTEGRATA PER LA PREVISIONE DEL FABBISOGNO ENERGETICO, IL DIMENSIONAMENTO E LA GESTIONE OTTIMIZZATA DEI MICRO-COGENERATORI.
Università degli Studi di FerraraAbstract
Il crescente aumento di richiesta energetica mondiale è principalmente soddisfatto attraverso l’utilizzo di combustibili fossili con conseguente immissione di CO2 in atmosfera. Visti i recenti risultati di studi internazionali condotti sui cambiamenti climatici, sono sempre maggiori le risorse dedicate a possibili soluzioni che contrastino l’attuale andamento.La cogenerazione è una tecnologia che può consentire elevati risparmi di energia primaria e, quindi, di emissioni di CO2 in atmosfera, con applicazioni piuttosto diffuse nel settore industriale, mentre la sua diffusione nel settore civile-residenziale, specialmente nelle taglie piccole e micro, è limitata da diverse problematiche di tipo tecnico, ambientale, economico e legislativo tuttora da risolvere, inclusa l’assenza di una tecnologia che sappia combinare vantaggi quali: alta efficienza, basso costo, funzionamento silenzioso, basse emissioni e ridotta manutenzione. Inoltre i consumi energetici molto contenuti imposti agli edifici di nuova costruzione dalla legislazione recente (D.L. 192/2005 e modifiche apportate dal D.L. 311/2006) comportano una riduzione dei ricavi conseguenti all’eventuale installazione di sistemi cogenerativi, imponendo un’analisi molto dettagliata e accurata dei fabbisogni elettrici e termici al fine di individuare la taglia ottimale dell’impianto di micro-cogenerazione e le strategie ottimizzate per la sua gestione e controllo.
Da un punto di vista tecnico per favorire la diffusione della micro-cogenerazione distribuita nel settore civile-residenziale è necessario sviluppare:
- metodologie per la previsione dei fabbisogni elettrici e termici di utenze residenziali, al fine di determinarne i profili di consumo energetico nel tempo;
- procedure per individuare la taglia ottimale dell’impianto di micro-cogenerazione;
- strategie per la gestione e il controllo ottimizzato dei sistemi di micro-cogenerazione;
- micro-cogeneratori basati su tecnologie innovative adatti anche all’ambito domestico (quindi caratterizzati, ad esempio, da bassi costi, bassa rumorosità e ingombri, basso impatto ambientale, facilità di installazione e manutenzione) che presentino efficienze che li rendano competitivi nei confronti della generazione centralizzata.
Il progetto di ricerca copre tutta la filiera che va dalla previsione dei fabbisogni elettrici e termici di utenze residenziali, al progetto di sistemi di micro-cogenerazione che utilizzano micro-cogeneratori basati su tecnologie innovative, fino all’individuazione delle strategie ottimali per la gestione e il controllo dei sistemi di micro-cogenerazione stessi.
In particolare, gli obiettivi del progetto di ricerca sono:
- Sviluppare metodologie per la previsione dei fabbisogni elettrici e termici di utenze residenziali, al fine di determinarne i profili di consumo energetico nel tempo, per fornire i dati necessari al progetto dei sistemi di micro-cogenerazione distribuita.
- Studiare, sviluppare e sperimentare sistemi micro-cogenerativi che nel breve-medio periodo potrebbero avere un notevole sviluppo per applicazioni di taglia anche mono-utenza: (i) i sistemi termofotovoltaici (TPV) che utilizzano l’energia irraggiata da bruciatori di caldaie domestiche e (ii) le celle a combustibile PEM. Per quanto riguarda i sistemi TPV verrà in particolare realizzato un apparato di prova per valutare sperimentalmente le potenzialità dei sistemi termofotovoltaici e, in particolare, i miglioramenti ottenibili sostituendo componenti standard con componenti innovativi (quali, principalmente, emettitori selettivi, filtri infrarossi e celle fotovoltaiche al germanio). Per quanto riguarda le celle a combustibile PEM, verrà sviluppato un “fuel processor” innovativo basato su reformer a membrana, da alimentare a gas naturale, capace di generare un flusso di idrogeno puro, idoneo per alimentare le celle a combustibile PEM. Tale reattore a membrana è un sistema statico che consente la contemporanea produzione e purificazione dell’idrogeno, introducendo una notevole semplificazione rispetto ai sistemi tradizionali basati su reattori a reforming o ossidazione parziale.
- Sviluppare un sistema di gestione delle risorse distribuite di microreti residenziali, sia nella condizione di funzionamento in cui la microrete in bassa tensione sia connessa alla rete di distribuzione pubblica, sia nella condizione di funzionamento in isola di carico. Le microreti saranno, in particolare, costituite da varie unità di micro-cogenerazione di tipo innovativo, quali celle a combustibile PEM e sistemi TPV, che producono in corrente continua e sono connesse singolarmente alla rete elettrica mediante inverter a controllo di corrente, e un sistema di accumulo elettrochimico, connesso invece alla rete elettrica tramite un convertitore elettronico bidirezionale a tensione impressa. <<<
Coordinatore Scientifico del Programma di Ricerca
Pier Ruggero Spina Università degli Studi di FERRARAObiettivo del Programma di Ricerca
I principali obiettivi del progetto di ricerca sono in sintesi i seguenti:O1 - Sviluppo di modelli per la previsione dei fabbisogni elettrici e termici di utenze residenziali di vario tipo, verifica della loro validità mediante la diagnosi energetica di edifici esistenti e monitoraggio dei consumi energetici di edifici esistenti, al fine di determinarne i profili di consumo energetico nel tempo, per fornire i dati necessari al calcolo e al progetto dei sistemi di micro-cogenerazione distribuita da realizzare presso le utenze stesse.
O2 - Scelta degli impianti e dei sistemi di accumulo e delle logiche di controllo e gestione e loro dimensionamento a partire dai profili di consumo energetico nel tempo di utenze residenziali opportunamente selezionate.
O3 - Valutazione delle prestazioni energetiche e del ritorno economico di micro-cogeneratori innovativi, basati su sistemi di generazione elettrica termofotovoltaici (TPV) che utilizzano l’energia irraggiata da bruciatori di caldaie domestiche, inseriti in utenze residenziali tipo, e progettazione, con l’ausilio di software CFD, di un micro-cogeneratore TPV, ottenuto introducendo celle fotovoltaiche all’interno della camera di combustione di una caldaia a condensazione commerciale con bruciatore radiante.
O4 - Realizzazione di diversi componenti principali di un micro-cogeneratore termofotovoltaico e in particolare:
O4.1 - sviluppo di filtri infrarossi con massimo della trasmissività per fotoni con energia di circa 0.8 eV, basati su strati alternati di dielettrici con diverso indice di rifrazione;
O4.2 - sviluppo di una cella fotovoltaica basata sul germanio.
O5 - Progettazione, con l’ausilio di software CFD, realizzazione e messa a punto di un apparato di prova per sistemi TPV e valutazione sperimentalmente, sull’apparato di prova, delle potenzialità dei sistemi termofotovoltaici e, in particolare, dei miglioramenti ottenibili sostituendo componenti standard con componenti innovativi (quali, principalmente, emettitori selettivi, filtri infrarossi e celle fotovoltaiche al germanio).
O6 - Dimensionamento, attraverso codici di calcolo appositamente realizzati e a partire dalle caratteristiche di utenze residenziali tipo (in termini di diagrammi di richiesta di energia elettrica e termica), di una cella a combustibile e di tutti gli ausiliari richiesti, in modo da garantire la possibilità di ottenere i migliori risultati dal punto di vista del risparmio energetico e del ritorno economico dell’applicazione.
O7 - Verifica sperimentale, su un apparato di prova che verrà appositamente realizzato, delle caratteristiche fondamentali (quali, potenza elettrica, potenza termica recuperata in funzione delle caratteristiche dell’utenza termica, rendimento elettrico, rendimento termico, efficienza di utilizzo del combustibile, perdite degli ausiliari) di una cella a combustibile PEM da 5 kW alimentata ad idrogeno puro.
O8 - Progettazione e dimensionamento di un “fuel processor” innovativo basato su reformer a membrana, da alimentare a gas naturale e capace di generare un flusso di idrogeno puro, e integrazione ed ottimizzazione del sistema cogenerativo con cella a combustibile PEM con la sezione di “fuel processing”.
O9 - Sviluppo di un sistema di gestione delle risorse distribuite di microreti residenziali, sia nella condizione di funzionamento in cui la microrete in bassa tensione sia connessa alla rete di distribuzione pubblica, sia nella condizione di funzionamento in isola di carico. Le reti residenziali saranno, in particolare, costituite da: (i) varie unità di micro-cogenerazione di tipo innovativo, quali celle a combustibile PEM e sistemi termo-fotovoltaici, che producono in corrente continua e sono connesse singolarmente alla rete elettrica mediante inverter a controllo di corrente, e (ii) un sistema di accumulo elettrochimico connesso alla rete elettrica tramite un convertitore elettronico bidirezionale a tensione impressa, in grado di garantire la possibilità sia della carica sia della scarica del sistema di accumulo in ogni condizione operativa, a seconda delle varie situazioni di sbilanciamento fra produzione e consumo di energia elettrica.
O10 - Messa a punto e verifica sperimentale del sistema di gestione delle risorse distribuite di microreti su un apparato di prova che, allo stato attuale, è costituito da un’unità di produzione cogenerativa a cella a combustibile PEM da 5 kW, batterie al piombo-acido connesse alla rete tramite convertitore elettronico a tensione impressa bidirezionale da 4.2 kW ed un carico controllabile di potenza attiva e di potenza reattiva. E’ prevista l’espansione dell’apparato di prova con la connessione d’altri tipi di generatori distribuiti, con particolare riguardo al fotovoltaico solare e ai dispositivi termofotovoltaici. <<<
Risultati parziali attesi
I risultati attesi dalla ricerca sono:R1 - Messa a punto di una metodologia, validata sperimentalmente, per la previsione accurata dei fabbisogni energetici di utenze residenziali di vario tipo e ottenimento dei profili dei consumi elettrici e termici nel tempo rappresentativi di utenze residenziali tipo, di validità generale per l’intero territorio italiano, mediante applicazione della metodologia ad utenze opportunamente selezionate.
R2 - Incremento delle conoscenze su due sistemi micro-cogenerativi basati su tecnologie innovative, (i) i sistemi termofotovoltaici (TPV) che utilizzano l’energia irraggiata da bruciatori di caldaie domestiche e (ii) le celle a combustibile PEM, che appaiono promettenti per la diffusione della cogenerazione distribuita in ambiente civile-residenziale nel breve-medio periodo, ma le cui tecnologie non sono ancora mature e richiedono notevoli sviluppi tecnologici e studi di ottimizzazione, sia a livello di singoli componenti, sia di loro integrazione, sia di intero sistema.
In particolare:
R2.1 - Valutazione delle prestazioni energetiche e del ritorno economico di micro-cogeneratori basati su sistemi di generazione elettrica TPV che utilizzano l’energia irraggiata da bruciatori di caldaie domestiche, inseriti in utenze residenziali tipo, e loro progetto con l’ausilio di software CFD.
R2.2 - Dimensionamento, a partire dalle caratteristiche di utenze residenziali tipo, di una cella a combustibile e di tutti gli ausiliari richiesti, in modo da garantire la possibilità di ottenere i migliori risultati dal punto di vista del risparmio energetico e del ritorno economico dell’applicazione.
R2.3 - Ottenimento sperimentale, su un apparato di prova che verrà appositamente realizzato, delle caratteristiche fondamentali (quali, potenza elettrica, potenza termica recuperata in funzione delle caratteristiche dell’utenza termica, rendimento elettrico, rendimento termico, efficienza di utilizzo del combustibile, perdite degli ausiliari) di una cella a combustibile PEM da 5 kW alimentata ad idrogeno puro.
R3 - Realizzazione di diversi componenti principali di un micro-cogeneratore termofotovoltaico e di un apparato sperimentale. In particolare:
R3.1 - Determinazione della struttura ottimale basata su strati periodici di SiO2-NiO2 per un filtro infrarosso con massimo della trasmittività per fotoni con energia 0.8 eV.
R3.2 - Realizzazione di un filtro infrarosso cresciuto su vetro e sua caratterizzazione ottica e strutturale.
R3.3 - Messa a punto metodologica del processo di crescita omoepitassiale di strati di germanio e riconoscimento dei parametri critici della crescita (temperatura, preparazione della superficie del substrato, livello dei droganti).
R3.4 - Studio teorico della giunzione p-n nel germanio e determinazione dei parametri che riducono la tensione di circuito aperto: ricombinazione superficiale o stati di impurezza nella gap. Confronto con i dati sperimentali.
R3.5 - Ottenimento di un prototipo di cella fotovoltaica al germanio con caratterizzazione della efficienza quantica esterna.
R3.6 - Studio dei meccanismi di assorbimento ed emissione in materiali emettitori selettivi.
R3.7 - Individuazione del materiale selettivo (ossido di terra rara) con la maggiore emissività vicino a 0.8 eV e della matrice in grado di sostenere cicli termici ripetuti.
R3.8 - Progettazione, con l’ausilio di software CFD, realizzazione e messa a punto di un apparato sperimentale consistente in: (i) emettitore, (ii) celle fotovoltaiche ad esso affacciate, (iii) filtro, (iv) recinto che racchiuda tutti i componenti (costituito da schermi riflettenti in acciaio con effetto di concentrazione dell’energia irraggiata sulle celle), (v) sistema di raffreddamento delle celle, (vi) sensori e sistema di acquisizione.
R3.9 - Valutazione sperimentale delle prestazioni del sistema TPV realizzato con componenti standard.
R3.10 - Valutazione sperimentalmente dei miglioramenti ottenibili sostituendo componenti standard con componenti innovativi, quali, principalmente, emettitori selettivi, filtri infrarossi e celle fotovoltaiche al germanio.
R4 - Progettazione e dimensionamento di un “fuel processor” innovativo basato su reformer a membrana, da alimentare a gas naturale, capace di generare un flusso di idrogeno puro, e sua integrazione con la cella a combustibile PEM.
R4.1 - Incremento delle conoscenze sugli aspetti permeativi delle membrane.
R4.2 - Messa a punto di un micro-reattore a membrana e determinazione sperimentale della permeazione della membrana.
R4.3 - Progetto preliminare, con relative specifiche, per un reformer a gas naturale e tutti i sub-componenti.
R4.4 - Determinazione del tempo di vita delle membrane inserite all’interno dei reformer a membrana sviluppati nel progetto.
R4.5 - Analisi e progettazione di massima dei componenti di impianto per l'integrazione del reformer alimentato a gas naturale con una cella a combustibile PEM.
R5 - Messa a punto e validazione sperimentale di un sistema di gestione delle risorse distribuite di microreti residenziali, costituite da: (i) varie unità di micro-generazione/cogenerazione che producono in corrente continua e sono connesse singolarmente alla rete elettrica mediante inverter a controllo di corrente (quali celle a combustibile PEM, sistemi termo-fotovoltaici, e generatori fotovoltaici solari) e (ii) un sistema di accumulo elettrochimico connesso alla rete elettrica tramite un convertitore elettronico bidirezionale a tensione impressa.
A valle della ricerca saranno disponibili metodologie, informazioni, analisi teoriche di progettazione preliminare ed informazioni sperimentali di notevole importanza ai fini (i) dello sviluppo, progetto e dimensionamento di micro-cogeneratori che appaiono particolarmente promettenti per la diffusione della cogenerazione distribuita in ambiente civile-residenziale nel breve-medio periodo (micro-cogeneratori TPV, che utilizzano l’energia irraggiata da bruciatori di caldaie domestiche, e con celle a combustibile PEM) e (ii) dei sistemi di gestione ottimizzata delle microreti in cui tali cogeneratori saranno inseriti.
E’ già stata verificato dai componenti le U.R. l’interesse da parte di alcune aziende nazionali nei confronti di sistemi micro-cogenerativi sia di tipo TPV che utilizzano l’energia irraggiata da bruciatori di caldaie domestiche, sia di tipo con celle a combustibile PEM.
Inoltre, sebbene la ricerca sia centrata su applicazioni di cogenerazione distribuita, le informazioni acquisite potranno peraltro avere ricadute significative anche in campi applicativi diversi, quali i sistemi di generazione fotovoltaici solari e le applicazioni veicolari delle celle a combustibile PEM. <<<
Durata
24 mesiBase di partenza scientifica nazionale o internazionale
La generazione distribuita presenta dei potenziali benefici rispetto alla generazione centralizzata quali, ad esempio:- aumento dell’affidabilità della fornitura di energia;
- possibilità di evitare i costi e le perdite di trasmissione dell’energia;
- riduzione dei costi e dei consumi di energia primaria dovuta alla generazione combinata in un unico processo di energia elettrica e termica (la generazione distribuita avvicina infatti la produzione al consumo, aumentando le potenzialità della cogenerazione);
- riduzione dell’esposizione alla volatilità del prezzo dell’energia elettrica.
Affinché però si possa effettivamente trarre vantaggio da tali benefici è necessario che vengano analizzate e risolte problematiche di tipo tecnico, ambientale, economico e legislativo quali:
- Aggiornamento delle reti di media e, soprattutto, bassa tensione, che devono trasformarsi da reti passive (per il transito dell’elettricità dall’alta tensione alle utenze) a reti attive (ovvero reti che sopportano sorgenti produttive).
- “Non programmabilità” della produzione elettrica degli impianti di generazione distribuita, che rispondono alle esigenze delle utenze specifiche ad essi asservite e non alle regole che determinano il dispacciamento.
- Avvicinamento all’utente di una potenziale sorgente di emissioni inquinanti, in quanto la produzione viene localizzata in prossimità dei centri di consumo.
- Rendimenti elettrici degli impianti piccoli/micro che, con le tecnologie tradizionali (quali motori endotermici alternativi e micro-turbine a gas), sono decisamente più bassi di quelli delle grandi centrali, anche considerando le perdite di trasmissione e di trasformazione.
- Oneri e complessità di impianto richiesti per il contenimento e l’abbattimento delle emissioni inquinanti, difficilmente sopportabili nelle applicazioni piccole/micro, superabili solo con l’impiego di tecnologie avanzate (es. bruciatori premiscelati nelle microturbine a gas, o sistemi di generazione a celle a combustibiule e termofotovoltaici).
- Costi d’investimento ancora troppo elevati.
- Eccessivo divario, allo stato attuale, tra prezzi d’acquisto e vendita dell’energia elettrica, che garantisce una buona remuneratività all’investimento in cogenerazione solo quando sia assicurato il totale autoconsumo elettrico (ovvero la valorizzazione economica dell’energia elettrica come “costo evitato” d’acquisto).
- Complessi iter autorizzativi (che le leggi e le direttive recenti, quali in particolare la legge 239/2004, la direttiva europea 2004/8/CE e la legge 20/2007, tendono a semplificare).
- Capacità delle tecnologie di penetrare nel mercato. Infatti, oltre al contenimento dei costi, devono essere anche considerate le trasformazioni che devono essere previste nel mercato stesso per poter accogliere nuove tipologie di prodotti e di produttori e lo sviluppo di specifiche competenze tecniche necessarie per l’installazione e la manutenzione di questi dispositivi.
Tali aspetti, che penalizzano fortemente la generazione distribuita nei confronti di quella centralizzata, possono essere superati solo prevedendo l’adozione di un efficiente ed opportuno recupero termico (mediante il quale si possono ottenere efficienze di utilizzo del combustibile superiori all’85 %) e l’impiego di tecnologie avanzate. Occorre cioè che la generazione distribuita sia progettata e gestita utilizzando tecnologie e strategie tali da permettere di conseguire un risparmio rispetto alla generazione centralizzata sia in termini di combustibile consumato che di emissioni prodotte. Le problematiche esposte sono tanto più gravi e importanti quanto più piccola è la taglia di impianto e quanto più problematica è la sua gestione ottimizzata. Questa è la situazione tipica della cogenerazione distribuita in ambito civile-residenziale dove i carichi elettrici sono piuttosto ridotti (da qualche decina di kWe, nelle applicazioni condominali, a qualche kWe, nelle applicazioni domestiche) e le richieste sia elettriche sia termiche sono piuttosto aleatorie. Inoltre i consumi energetici molto contenuti imposti agli edifici di nuova costruzione dalla legislazione recente (D.L. 192/2005 e modifiche apportate dal D.L. 311/2006) comportano una riduzione dei ricavi conseguenti all’eventuale istallazione di sistemi cogenerativi, imponendo un’analisi molto dettagliata e accurata dei fabbisogni elettrici e termici al fine di individuare la taglia ottimale dell’impianto di micro-cogenerazione e le strategie ottimizzate per la sua gestione e controllo. Il settore civile-residenziale, proprio per i motivi sopra menzionati, è quello dove sino ad oggi è meno diffusa la cogenerazione, ed è quindi quello dove sono maggiori le potenzialità di penetrazione della micro-cogenerazione. Da un punto di vista tecnico per favorire la diffusione della micro-cogenerazione distribuita nel settore civile-residenziale è però necessario:
- Sviluppare metodologie per la previsione dei fabbisogni elettrici e termici di utenze residenziali, al fine di determinarne i profili di consumo energetico nel tempo.
- Sviluppare procedure per individuare la taglia ottimale dell’impianto di micro-cogenerazione.
- Sviluppare strategie per la gestione e il controllo ottimizzato, sia dei singoli micro-cogeneratori, sia di parchi di micro-cogeneratori.
- Sviluppare micro-cogeneratori basati su tecnologie innovative, adatti anche all’ambito domestico (quindi caratterizzati, ad esempio, da bassa rumorosità e ingombri, basso impatto ambientale, facilità di installazione e manutenzione), che presentino efficienze che li rendano competitivi nei confronti della generazione centralizzata.
Con riferimento a quest’ultimo punto, sistemi innovativi, che nel breve-medio periodo potrebbe avere un notevole sviluppo per applicazioni residenziali di taglia anche mono-utenza, sono i sistemi termofotovoltaici (TPV) che utilizzano l’energia irraggiata da bruciatori di caldaie domestiche e le celle a combustibile PEM (Proton Exchange Membrane, membrane a scambio protonico).
I due sistemi presentano alcune caratteristiche positive che li accomunano e li rendono particolarmente adatti alla cogenerazione in ambito civile-residenziale quali:
- elevate efficienze di utilizzo del combustibile, che possono superare il 90 %;
- rendimenti elettrici e di utilizzo del combustibile poco sensibili al carico;
- assenza di organi in movimento e quindi bassissima rumorosità e vibrazioni degli apparati di generazione, con conseguente facilità di localizzazione e installazione, e minori problemi di manutenzione;
- basse emissioni inquinanti (nei sistemi TPV che utilizzano l’energia irraggiata da bruciatori di caldaie domestiche, la emissioni sono equivalenti a quelle delle caldaie, mentre per le celle a combustibile PEM le basse emissioni inquinanti derivano dal fatto che in tali dispositivi non c’è combustione e quindi non si producono inquinanti, quali CO, NOx, HC, ecc...);
- bassissimi tempi di avviamento.
Presentano anche alcune problematiche che li accomunano, quali:
- produzione elettrica in corrente continua, con conseguente necessità, per la connessione alla rete elettrica, di dispositivi costosi, quali, tipicamente, inverter;
- sono tecnologie non ancora mature, che richiedono notevoli sviluppi tecnologici e studi di ottimizzazione, sia a livello di singoli componenti, sia di loro integrazione, sia di intero sistema;
- presentano costi ancora elevati a causa della scarsa diffusione.
I due sistemi si differenziano invece per i seguenti aspetti:
- rapporto tra produzione elettrica e termica, che per le celle a combustibile PEM è intorno all’unità, mentre per i sistemi TPV è, nelle attuali realizzazioni, inferiore a 0.05, ma con l’ottimizzazione del sistema può plausibilmente arrivare nell’arco di pochi anni a valori dell’ordine di 0.10; pertanto, a parità di efficienze di utilizzo del combustibile, le celle a combustibile PEM nei confronti dei sistemi TPV valorizzano maggiormente il combustibile, trasformandone una quota molto maggiore in energia elettrica, mentre i sistemi TPV presentano un rapporto tra produzione elettrica e termica che meglio si sposa con il rapporto tra fabbisogno elettrico e termico dei utenze residenziali, tipicamente dell’ordine di 0.10-0.15;
- il combustibile utilizzato è (tipicamente) gas naturale per i sistemi TPV che utilizzano l’energia irraggiata da bruciatori di caldaie, e idrogeno per le celle a combustibile PEM, che richiedono quindi la presenza di sistemi di stoccaggio dell’idrogeno (con i problemi di sicurezza e di approvvigionamento correlati) o di sistemi integrati di produzione dell’idrogeno (reformer).
Attività di ricerca intense stanno sostenendo lo sviluppo della tecnologia delle celle a combustibile PEM anche nel settore automobilistico, dove è considerata un candidato promettente per la mobilità del futuro, con il risultato di una rapida evoluzione in tema di prestazioni e di riduzione di costo. Non mancano anche un certo numero di esperienze condotte da alcuni gruppi di ricerca sullo sviluppo di sistemi di micro-generazione/cogenerazione TPV.
Riferimenti bibliografici
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