Una pila a combustibile per tri-generazione promette di ridurre la perdita di energia, i costi e le emissioni
Quasi la metà del consumo primario di energia del mondo avviene nella fornitura di elettricità, riscaldamento e raffreddamento. La maggior parte di questa energia viene da centrali elettriche centralizzate nelle quali fino al 70% dell’energia disponibile viene sprecato. L’inefficienza di questo modello è inaccettabile e porta a considerevoli emissioni di CO2 e costi di funzionamento eccessivamente alti. Questi problemi potrebbero essere risolti passando dai sistemi tradizionali di generazione centralizzata dell’energia elettrica a una tecnologia efficiente di micro-generazione sul posto e una possibilità promettente su questa linea è la pila a combustibile a ossido solido (SOFC). La tecnologia SOFC associa l’idrogeno e l’ossigeno in una reazione elettro-chimica per generare elettricità, gli unici prodotti di scarto sono vapore acqueo, calore e una modesta quantità di biossido di carbonio. L’idrogeno può essere fornito da combustibile a base di idrocarburi come il gas naturale, che è ampiamente disponibile per gli edifici domestici e pubblici. Per tre anni, il team del progetto TRISOFC ha lavorato per far avanzare questo tipo di tecnologia sviluppando un prototipo a basso costo, durevole e a bassa temperatura (LT) di SOFC per tri-generazione (raffreddamento, riscaldamento ed energia elettrica). Il coordinatore di TRISOFC, il dott. Mark Worall dell’Università di Nottingham, ha fornito dettagli più specifici sui risultati del progetto, che si è ufficialmente concluso alla fine di luglio: “Il team ha progettato, ottimizzato e costruito un prototipo di LT-SOFC per tri-generazione, basato sull’integrazione di una nuova SOFC a bassa temperatura e un’unità di raffreddamento essiccante.” Gli altri componenti del sistema sono un processore di carburante per generare gas riformato e altre attrezzature per la parte rimanente dell’impianto elettrico (BoP) meccanico e di controllo Caratteristiche uniche di TRISOFC Il sistema TRISOFC vanta una serie di caratteristiche uniche che lo distinguono da qualsiasi altra cosa fatta prima. In particolare, la temperatura di funzionamento del sistema TRISOFC è tra 500 e 600 gradi Celsius, rispetto alle normali SOFC che funzionano da 800 a 1000 gradi Celsius. “Questo è importante,” osserva il dott. Worall, “perché permette di produrre BoP e altri componenti dipendenti dalla temperatura a partire da materiali dal costo relativamente basso, come l’acciaio inossidabile, e quindi potrebbe ridurre sostanzialmente i costi dei materiali e dei componenti.” Inoltre, la LT-SOFC è basata su un singolo materiale nanocomposito, un’invenzione del team coordinato dal professor Binzhu Zhu di KTH, uno dei partner del consorzio, che è unico nel senso che può fungere da anodo, catodo ed elettrolita. Il dott. Worall aggiunge, “ancora una volta, questo potrebbe ridurre i costi e la complessità e aumentare l’affidabilità e la durabilità.” Infine, il sistema è stato integrato con un sistema essiccante di deumidificazione e raffreddamento a ciclo aperto che fornisce riscaldamento, raffreddamento e accumulo termico. Questo non è stato mai usato prima in pile a combustibile e ha il vantaggio di aumentare l’utilizzo del calore di scarto (attualmente dal 40 al 50% dell’input totale di energia va sprecato). Il dott. Worall osserva, “Nel nostro sistema, il calore di scarto della SOFC viene usato per ri-concentrare la soluzione. Questa è una forma di accumulo termico, che ci permette di azionare la pila a combustibile quando non abbiamo bisogno di raffreddamento e di usarla quando ne abbiamo bisogno. Il nostro sistema ha tre vantaggi principali: in primo luogo, aumenta l’efficienza di conversione della SOFC dal 45 al 55% fino all’85 al 95%, in secondo luogo, riduce la domanda di energia elettrica che sarebbe necessaria per fornire refrigerazione per benessere (e riducendo l’uso di energia elettrica, riduciamo anche il consumo primario di energia e le emissioni di biossido di carbonio) e in terzo luogo, riduce il raffreddamento fornito dai sistemi di refrigerazione a compressione di vapore.” Mettere alla prova il sistema di tri-generazione della LT-SOFC Il team è riuscito a provare il concetto di un sistema di tri-generazione con LT-SOFC. Il dott. Worall attira l’attenzione verso due risultati dei test particolarmente significativi: “I test su due pile di 6cm x 6cm SOFC a bassa temperatura di tipo planare hanno mostrato una densità di energia di fino a 1100mW/cm² con un output di energia di 22W, a 530 gradi Celsius. I ricercatori stanno sviluppando pile da 200We e dovremmo essere in grado di dimostrare un output elettrico su larga scala a bassa temperatura.” “Inoltre i test sul sistema di deumidificazione hanno mostrato che era stato raggiunto un coefficiente di prestazione di oltre 1.0. Il coefficiente di prestazione è il rapporto tra l’output del raffreddamento e l’input totale di energia e quindi rappresenta un parametro chiave del rendimento … In termini generali di conversione, il nostro refrigeratore alimentato a calore è competitivo con altri sistemi.” Impatto di TRISOFC Adesso che il concetto è stato dimostrato, i prossimi passi saranno provare la durabilità a lungo termine, aumentare la produzione e ridurre ulteriormente i costi. Il dott. Worall e il team prevedono che il sistema sviluppato nell’ambito di TRISOFC avrà un impatto significativo su diversi livelli: “Questo sistema è una pila a combustibile per tri-generazione prima nel suo genere e ha grandi potenzialità per incrementare l’uso dell’energia disponibile, ridurre i costi, aggiungere valore, ridurre l’uso primario dell’energia e le emissioni e promuovere la produzione di energia distribuita.” Il gruppo che potrebbe percepire maggiormente i benefici sono i consumatori, spiega il dott. Worall: “La maggior parte degli edifici usa l’energia primaria per il riscaldamento, il raffreddamento e l’elettricità, quindi generando elettricità a livello domestico, i consumatori potrebbero trarre beneficio dalla vendita della produzione eccessiva di elettricità (che dipende dai costi locali dell’energia, gli incentivi e le tariffe), ridurre la domanda di calore per la fornitura di acqua calda e riscaldamento e la fornitura di elettricità per il raffreddamento. Poiché abbiamo tre cose al prezzo di una, i consumatori dovrebbero riscontrare dei vantaggi in termini economici e di riduzione del loro impatto sull’ambiente.” Il team crede che sia come sistema integrato che come componenti singoli il sistema LT-SOFC per tri-generazione possa essere commercializzato. “Ci stiamo impegnando attivamente con l’industria e gli utenti finali per sviluppare sistemi e sottosistemi facili da usare, affidabili ed economici,” conclude il dott. Worall. Per ulteriori informazioni, visitare: TRISOFC http://trisofc.com/
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