Sistema ibrido idrogeno-batteria per case alimentate da impianti fotovoltaici off-grid

I ricercatori della Hanze University of Applied Sciences di Groningen, nei Paesi Bassi, hanno studiato per la prima volta come combinare la produzione di idrogeno e l’accumulo di batterie con l’energia fotovoltaica sui tetti o con piccole turbine eoliche nelle abitazioni off-grid.

“Per quanto ne sappiamo, nessuno studio pubblicato ha utilizzato il sistema a idrogeno come stoccaggio principale quando si ibridano le energie rinnovabili con le batterie e, soprattutto, nessuno studio ha preso in considerazione i requisiti variabili di avvio degli elettrolizzatori a membrana a scambio protonico (PEM) per la produzione e lo stoccaggio dell’idrogeno quando si progettano sistemi di energia rinnovabile off-grid”, ha dichiarato il gruppo, aggiungendo che le batterie sono destinate a essere utilizzate per evitare la decurtazione quando la produzione di idrogeno non può essere prioritaria.

Gli scienziati hanno spiegato che i sistemi a idrogeno basati sull’elettrolisi PEM offrono il vantaggio di essere sistemi a risposta rapida, adatti a sistemi di stoccaggio in cui il sistema a idrogeno agisce come unità di stoccaggio principale accoppiato a una batteria come stoccaggio secondario. Tuttavia, hanno anche sottolineato che l’idrogeno generato tramite elettrolisi deve essere essiccato e purificato da tracce di acqua e ossigeno prima di poter essere utilizzato.

Il sistema proposto è destinato all’immagazzinamento dell’energia solare in eccesso, con la batteria che funge da unità di stoccaggio primaria solo quando la generazione di idrogeno non è immediatamente disponibile. È composto da un sistema di elettrolisi dell’idrogeno PEM da 4,5 kW, un serbatoio di stoccaggio dell’idrogeno da 0,85 m3 , un’unità di purificazione da 0,8 kW, una cella a combustibile a idrogeno PEM e una batteria agli ioni di litio. “La cella a combustibile può solo fornire energia direttamente al consumatore e non carica la batteria né supporta l’elettrolizzatore”, spiegano gli accademici. “L’elettrolizzatore e la cella a combustibile richiedono rispettivamente acqua demineralizzata e aria per funzionare”.

Il sistema si basa anche su una valvola di controllo della pressione per impostare la pressione di uscita dell’idrogeno, che può essere regolata a quasi 50 bar senza mezzi esterni. È anche in grado di mantenere in funzione l’elettrolizzatore quando l’energia solare in eccesso è abbastanza vicina alla potenza minima dell’elettrolizzatore e l’eccedenza di energia prevista nei 10 minuti successivi è relativamente alta. “Utilizza la batteria per immagazzinare energia quando la potenza o la durata dell’energia da fonti rinnovabili è insufficiente per l’avvio e il funzionamento del sistema elettrolizzatore”, hanno dichiarato gli scienziati.

Il gruppo di ricerca ha simulato le prestazioni del sistema tramite il software Python e ha utilizzato diversi input per decidere come immagazzinare l’energia elettrica quando c’è un surplus. Hanno ipotizzato che il sistema fosse installato in una tipica casa olandese indipendente con un fabbisogno annuo di 4 MWh.

La simulazione ha mostrato che la migliore configurazione del sistema per la fonte fotovoltaica comprende un campo solare da 2,65 kW con un angolo di inclinazione di 35 gradi e un angolo di azimut di 180 gradi. Il costo dell’impianto fotovoltaico è stato ipotizzato pari a 1.317 euro (1.430 dollari)/kW, mentre quello dell’elettrolizzatore e della cella a combustibile è stato stimato rispettivamente in 9.677 euro e 7.500 euro. Il costo del serbatoio di idrogeno è stato indicato in 1.915 euro e quello della batteria da 2,93 kW è stato ipotizzato in 372,5 euro/kWh.

L’analisi ha dimostrato che in nessun caso l’elettrolizzatore era in grado di funzionare alla sua massima potenza nominale, il che significa che può essere ridimensionato, riducendo così i costi del sistema, hanno sottolineato i ricercatori. “L’analisi di sensibilità sulla variazione della potenza nominale dell’elettrolizzatore ha mostrato che un elettrolizzatore con una potenza nominale compresa tra 1.550 W e 2.000 W è più adeguato e conveniente per la configurazione del caso base definito in questo studio”, hanno spiegato ancora i ricercatori, aggiungendo che la capacità ottimale della batteria è stata identificata in circa 3 kW.

Le serie di simulazioni hanno anche mostrato che affidarsi esclusivamente all’energia eolica era più conveniente rispetto all’utilizzo della sola energia solare, mentre una combinazione delle due fonti offriva i risultati migliori. “L’energia richiesta dall’unità di purificazione può essere considerata trascurabile per tutti gli scenari”, hanno aggiunto gli studiosi, sottolineando che le ricerche future dovrebbero testare la soluzione proposta su scala più ampia o in un sistema che integri la produzione di calore.

Il sistema è stato presentato nello studio “Simulation and analysis of hybrid hydrogen-battery renewable energy storage for off-electric-grid Dutch household system”, pubblicato sull’International Journal of Hydrogen Energy.

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