Intervista – sistema con FV per desalinizzare acque di falda e produrre aria condizionata a fini agricoli

Due ricercatori dell’Università Hamad Bin Khalifa, Qatar, hanno proposto un sistema di desalinizzazione ed elettrolisi a energia solare per la produzione di acqua dolce e idrogeno verde da acque sotterranee salmastre in regioni desertiche remote. Vista la desertificazione di diverse aree nel Mediterraneo e la mancanza d’acqua, il sistema potrebbe aver senso anche in alcune regioni a noi prossime, ad esempio in aree agricole della regione Sicilia. pv magazine ha parlato con il professore e scienziato Nurettin Sezer, uno dei due ricercatori, per capire come funzioni il sistema.

Il sistema, su una superficie di 10.456 m2 , è dotato di una cisterna, di un sistema di condizionamento a base di ghiaccio e di bombole di idruri metallici per lo stoccaggio dell’idrogeno, con una cella a combustibile che utilizza l’energia e l’acqua. Questo per compensare le fluttuazioni dell’irradiazione solare.

I ricercatori hanno utilizzato moduli bifacciali con un’efficienza del 23,6%, un elettrolizzatore ad acqua PEM con efficienza voltaica ed energetica del 74,5% e del 58,8% e una cella a combustibile con efficienza voltaica ed energetica del 64,6% e del 62,5%. “Il sistema proposto genera 2,4 MWh/giorno di elettricità, 52,8 m3/giorno di acqua dolce, 6,3 MWh/giorno di aria condizionata e 177 kg/giorno di idrogeno per immagazzinare energia per l’uso notturno. L’integrazione sinergica dei vari sistemi di energia e desalinizzazione dell’acqua ha prodotto un’efficienza energetica del 17,8% e un’efficienza exergetica del 13,5% durante il funzionamento diurno e un’efficienza energetica del 56% e un’efficienza exergetica del 34,9% durante il funzionamento notturno”, scrivono i ricercatori in un articolo recentemente pubblicato su Desalination.

Mi sembra di capire che il prototipo produce acqua dolce da acque sotterranee salmastre. Poi utilizzate quell’acqua per l’elettrolisi per produrre idrogeno e poi l’idrogeno per alimentare una cella a combustibile quando non c’è produzione di elettricità dal pannello fotovoltaico. È corretto? L’idrogeno viene immagazzinato nella cella? Qual è il ruolo dell’aria condizionata?

Sì, è corretto. L’idrogeno viene immagazzinato in forma solida in serbatoi di idruri metallici. Il mezzo di stoccaggio è il LaNi5. L’aria condizionata favorisce la crescita delle piante nelle serre in luoghi caldi e desertici. Il sistema proposto immagazzina il ghiaccio prodotto attraverso il processo noto come freeze desalination e utilizza l’energia fredda per raffreddare le serre agricole nelle zone calde desertiche.

Il processo di freeze desalination produce un totale di 0,6108 kg/s di acqua dolce. 0,5324 kg/s (pari all’87,2%) di quest’acqua viene utilizzata per l’irrigazione, mentre una piccola parte (0,0784 kg/s, pari al 12,8%) viene fornita al modulo di elettrodeionizzazione per la demineralizzazione, poiché per l’elettrolisi dell’acqua è necessaria acqua pura con una conducibilità inoica inferiore a 1 microsiemens/cm. L’elettrodeionizzazione produce 0,05491 kg/s di acqua demineralizzata fornita all’elettrolizzatore per la produzione di idrogeno. Altre caratteristiche:

0,6108 kg/s – acqua dolce totale prodotta
0,0784 kg/s – fornita all’elettrodeionizzazione
0,5324 kg/s – acqua dolce utilizzata per uso agricolo
0,05491 kg/s – utilizzata per l’elettrolisi dell’acqua

Mi risulta che l’idrogeno venga utilizzato quando non c’è il sole. Si tratta quindi di un accumulo solo per le oscillazioni infragiornaliere, giusto? Non è adatto allo stoccaggio a lungo termine, giusto?

Sì, è vero. L’idrogeno è una soluzione adatta anche per lo stoccaggio a lungo termine. Si possono prendere in considerazione diverse pianificazioni per lo stoccaggio e il funzionamento in base alla disponibilità di energia rinnovabile e alla domanda locale in diversi scenari e condizioni specifici.

Quali sono i principali presupposti del vostro paper in termini di irraggiamento? Funzionerebbe solo in alcune aree geografiche?

Sono state fatte ipotesi realistiche per facilitare il modelling del sistema proposto. Si è ipotizzato che l’irradiazione solare sul pannello frontale sia di 560 W/m2 e quella sul pannello posteriore di 80 W/m2. Il sistema non è limitato a determinate località geografiche, ma può funzionare ovunque ci sia il sole.

Si tratta di una soluzione off-the-grid per le regioni desertiche. Pensate che sistemi simili possano funzionare anche in altri contesti?

Questo sistema può essere adottato in climi e luoghi geografici diversi. Il modello può analizzare i tassi di produzione in base all’irradiazione solare disponibile in diversi casi di studio. Ad esempio, in località con minore irradiazione solare sarebbe necessaria una maggiore superficie fotovoltaica e si consumerebbe più energia per desalinizzare acqua salina con salinità più elevata.

In generale, qual è la conclusione principale che avete raggiunto nel vostro lavoro di ricerca?

Questo studio presenta la progettazione concettuale e l’analisi di un nuovo sistema integrato per supportare le attività agricole in ambienti desertici e caldi. Il progetto del sistema presenta un’integrazione unica di fotovoltaico bifacciale, produzione di acqua freatica salmastra, desalinizzazione del freddo con condizionamento dell’aria con accumulo di ghiaccio, produzione di idrogeno verde, stoccaggio e celle a combustibile, accoppiate termicamente con bombole di stoccaggio dell’idrogeno. Questa integrazione sinergica mira a utilizzare in modo efficiente l’energia in ingresso e a immagazzinarla in forme utili per i momenti in cui l’energia solare non è sufficiente o non è disponibile. Il sistema progettato è stato modellato in modo completo e analizzato per verificarne la fattibilità dal punto di vista termodinamico. I risultati hanno dimostrato la fattibilità del sistema con efficienze favorevoli.

Potrebbe spiegare il seguente paragrafo? Qual è la differenza tra efficienza energetica ed exergetica? “L’integrazione sinergica di vari sistemi di energia e desalinizzazione dell’acqua ha prodotto un’efficienza energetica del 17,8% e un’efficienza exergetica del 13,5% durante il funzionamento diurno e un’efficienza energetica del 56% e un’efficienza exergetica del 34,9% durante il funzionamento notturno”.

L’efficienza energetica si concentra solo sulla quantità di energia, non sulla sua qualità o sulla disponibilità di lavoro. Non considera la generazione di entropia o la degradazione dell’energia. Tuttavia, l’efficienza exergetica include il concetto di irreversibilità dovuto alla generazione di entropia e alla perdita di potenziale di lavoro. Indica quanto efficacemente un sistema utilizza l’“energia utile” disponibile da una risorsa. Spesso è inferiore all’efficienza energetica perché tiene conto della parte di energia resa inutilizzabile a causa delle irreversibilità.

Perché l’efficienza è significativamente più alta durante il funzionamento notturno?

Perché durante il funzionamento diurno e notturno vengono utilizzati componenti diversi, ognuno dei quali ha un’efficienza diversa. La produzione di acqua di falda, la desalinizzazione del ghiaccio e il condizionamento funzionano ininterrottamente durante il giorno (24 ore), mentre l’elettrolizzatore funziona solo durante il giorno (8 ore) e la cella a combustibile funziona esclusivamente di notte (16 ore).

Quando pensate che il vostro sistema diventerà commercialmente redditizio? Conoscete il prezzo per l’impianto da collocare su 10.456 m2?

Questo studio dimostra la fattibilità di un nuovo sistema concettualmente progettato e basato su principi termodinamici. Sono necessari ulteriori studi per la valutazione tecnico-economica. Per facilitare l’adozione commerciale, si raccomandano le ricerche future elencate di seguito.

Studiare i metodi per ridurre al minimo i gradi di superraffreddamento e massimizzare l’efficienza del processo di freeze desalination.
Analizzare in modo comparativo le prestazioni di varie soluzioni di stoccaggio dell’energia, tra cui l’idroelettrico, l’aria compressa, l’aria liquida e l’idrogeno (oltre alle tecnologie a membrana a scambio protonico e agli idruri metallici), in ambienti desertici classificabili come remoti;
Condurre un case study per implementare un sistema integrato di desalinizzazione a freddo in un’azienda agricola operativa;
Progettare e analizzare un sistema di desalinizzazione a biomassa per operazioni agricole sostenibili;
Analizzare la desalinizzazione solare a più stadi con acqua di mare per la produzione di acqua dolce in agricoltura;
Analizzare in modo esaustivo gli aspetti economici e ambientali del sistema proposto attraverso la valutazione del ciclo di vita e l’analisi dei costi;
Condurre uno studio di ottimizzazione multi-obiettivo per ottimizzare il sistema proposto considerando le prestazioni energetiche, exergetiche, economiche e ambientali.

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