Un team di ricerca italiano ha progettato un cogeneratore a celle a combustibile a ossidi solidi (SOFC) da 1 kW per applicazioni in edifici residenziali.
I ricercatori hanno spiegato che, rispetto ai sistemi di celle a combustibile basati sulla tecnologia a membrana a scambio protonico (PEM), i sistemi SOFC offrono temperature di esercizio più elevate, rendendoli più adatti a edifici completamente elettrici, come gli edifici a energia quasi zero (NZEB), ovvero edifici residenziali e commerciali che hanno un fabbisogno di energia primaria molto basso che può essere soddisfatto in misura significativa da fonti rinnovabili.
Altri vantaggi sono l’elevata efficienza della cogenerazione, la stabilità a lungo termine, la flessibilità dei combustibili, le basse emissioni e i costi relativamente bassi.
“La grande innovazione dello studio sta nell’implementazione di tale sistema innovativo in una soluzione residenziale con impianti energetici complessi, mostrando le prestazioni misurate sul campo”, hanno spiegato gli scienziati. “Lo studio dimostra per la prima volta la fattibilità tecnica di un sistema così concepito, evidenziando la principale difficoltà nel processo di installazione”.
Il gruppo ha condotto un case study su un sistema installato in una villa NZEB a un piano di 80 m2 situata presso l’Università del Sannio, a Benevento. Il sistema utilizza una pompa di calore aria-aria che fornisce riscaldamento, raffreddamento, ventilazione meccanica e acqua calda sanitaria (ACS). Si avvale anche di un collettore solare termico di 2,2 m2 e di pozzi geotermici orizzontali, oltre che di un impianto fotovoltaico sul tetto da 5,3 kW collegato a una batteria al litio da 11,6 kWh.
Immagine: Università del Sannio, International Journal of Hydrogen Energy, CC BY 4.0
Il sistema SOFC misura 1,2 m × 0,5 m x 0,8 m ed è dotato di un inverter collegato alla rete elettrica domestica. Utilizza anche uno scambiatore di calore interno per recuperare il calore derivante dalla reazione elettrochimica. Secondo quanto riferito, la sua efficienza elettrica raggiunge il 49% e un’efficienza complessiva fino al 90% a 30 C di temperatura di ritorno.
“La cella a combustibile è unicamente alimentata a idrogeno, con un flusso di gas di circa 12 L/min a 15-25 millibar considerando un funzionamento nominale. L’alimentazione del combustibile avviene prima attraverso una stazione di stoccaggio di 64 Sm3 a 200 bar. Otto bombole e tre stadi di depressurizzazione sono collocati all’esterno”, hanno spiegato i ricercatori. “Attualmente viene acquistato idrogeno verde. Lo sviluppo futuro del sistema prevede l’installazione di un elettrolizzatore per la produzione in loco dell’idrogeno necessario”.
L’intero sistema di cogenerazione comprende circuiti idrici chiusi che forniscono calore a un serbatoio da 300 litri, utilizzato per preriscaldare l’acqua calda sanitaria generata dalla pompa di calore. Comprende anche un inverter ibrido per la gestione della batteria, dell’impianto fotovoltaico, della cella a combustibile, dei carichi elettrici domestici e della connessione alla rete.
Attraverso una serie di esperimenti, il gruppo di ricerca ha potuto verificare che, in particolari condizioni di produzione fotovoltaica, il sistema non solo è in grado di soddisfare i carichi elettrici domestici, ma anche di immettere energia in eccesso nella rete. Inoltre, è emerso che il sistema può raggiungere un’efficienza elettrica fino a 0,48 e un’efficienza complessiva massima di 0,93.“Considerando tutte le condizioni monitorate, l’intera energia utile e quella spesa nel periodo analizzato, l’efficienza elettrica è pari a 0,45”, spiegano i ricercatori. “L’efficienza complessiva diminuisce all’aumentare del valore della temperatura dell’acqua di ritorno nel circuito di recupero del calore”.
I ricercatori hanno anche avvertito che il sistema può richiedere manodopera altamente specializzata per la sua implementazione e gestione, e hanno detto che un altro limite è rappresentato dall’elevato tempo di avvio della macchina, stimato in circa 24 ore. “Inoltre, è consigliabile far funzionare la cella a combustibile alle condizioni nominali e senza variare frequentemente i livelli di potenza”, hanno dichiarato.
Il sistema è stato descritto in “Experimental characterization of solid oxide fuel cell hydrogen fueled in a residential small villa”, pubblicato sull’International Journal of Hydrogen Energy. Il team di ricerca comprendeva accademici dell’azienda italiana SolydEra S.p.A., specializzata in SFOC, della startup Stress S.c.a.r.l., dell’Università del Sannio e dell’Università del Molise.
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