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impianto sperimentale per la produzione di energia elettrica fotovoltaica con sistema di accumulo ad idrogeno domenico casadei gabriele grandi claudio rossi mario paolone ° dipartimento di ingegneria elettrica università di bologna via risorgimento 2 40136 bologna claudio.rossi@unibo.it www.die.unibo.it sommario si esamina un impianto di produzione ed accumulo di energia destinato al soddisfacimento integrale del fabbisogno energetico elettrico di un utenza residenziale in questo impianto la produzione primaria di energia elettrica avviene mediante conversione fotovoltaica l accumulo di energia avviene mediante produzione e stoccaggio di idrogeno elettrolitico la produzione secondaria di energia elettrica avviene utilizzando un sistema di celle a combustibile l utenza è definita mediante diagrammi di carico relativi alla composizione media della famiglia italiana in funzione dell area geografica di appartenenza lo strumento presentato in questo articolo consente simulare su base giornaliera mensile ed annuale il comportamento energetico del sistema consentendo quindi di valutare sotto il profilo energetico la fattibilità di questa tipologia di impianti il sistema proposto è stato realizzato come prototipo presso il dipartimento di ingegneria elettrica dell università di bologna l installazione prototipale fa parte del laboratorio erg finanziato dalla regione emilia romagna per lo studio dei sistemi e delle tecnologie energetiche innovative 1 introduzione la produzione di energia elettrica da fonte rinnovabile eolica o solare è caratterizzata da una disponibilità energetica variabile e non prevedibile nel tempo le fonti rinnovabili inoltre sono spesso localizzate in luoghi distanti dagli utenti finali queste caratteristiche intrinseche delle fonti rinnovabili ne limiteranno l espansione anche quando i costi di produzione dell energia rinnovabile saranno competitivi con i costi dell energia prodotta da fonti tradizionali l energia rinnovabile può essere convenientemente impiegata come fonte primaria per la produzione di idrogeno mediante elettrolisi l idrogeno prodotto costituirebbe un mezzo per accumulare energia nei momenti e nei luoghi in cui pannelli fotovoltaici h2o o2 si ha un esubero di produzione e successivamente utilizzato come combustibile per produrre energia elettrica nei momenti o nei luoghi in cui si verifichi un picco della domanda o si abbia scarsità dell offerta in questo modo il vettore energetico idrogeno consentirebbe di sfruttare appieno il potenziale energetico ambientale che altrimenti andrebbe perduto tra tutti i processi impiegabili per la produzione di idrogeno l elettrolisi dell acqua è l unico processo che evita emissioni di anidride carbonica nell atmosfera e che combinato allo sfruttamento di energia elettrica proveniente da fonti rinnovabili ne garantisce la produzione ad emissione zero esistono tuttavia due concezioni sul modo di produrre il vettore energetico idrogeno h2 h2 o2 elettrolizzatore h2 cella a combustibile dc dc dc dc dc dc ac dc fig 1 schema di impianto combinato fotovoltaico idrogeno per la produzione e l accumulo di energia.

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la prima ipotesi prevede la realizzazione di grandi impianti localizzati in aree dove l energia da fonti rinnovabili è più abbondante e può essere più convenientemente sfruttata da qui l idrogeno prodotto può essere vettoriato fino al punto di utilizzo finale la seconda prevede la distribuzione sul territorio di piccole unità di generazione che sfruttando il potenziale energetico ambientale presente localmente producano idrogeno il più vicino possibile al punto d uso finale entrambe le soluzioni presentano impatto ambientale nullo ma hanno caratteristiche tecnologiche prestazioni problematiche di realizzazione e di gestione completamente differenti con riferimento alla seconda tipologia di impianto in questo articolo saranno presentati i risultati ottenuti con un sistema di simulazione realizzato allo scopo l impianto esaminato è costituito da un sistema di produzione primaria di energia elettrica mediante pannelli fotovoltaici da un elettrolizzatore per la produzione di idrogeno da un serbatoio a bassa pressione per lo stoccaggio dell idrogeno prodotto da una cella a combustibile per la produzione secondaria di energia elettrica e dai necessari sistemi elettronici e di interfacciamento [1 [2 presso il dipartimento di ingegneria elettrica dell università di bologna è stata installata una stazione sperimentale contenente tutti i sottosistemi di conversione in scala ridotta con questo sistema sperimentale è possibile studiare le problematiche connesse sia con gli aspetti tecnologici sia con le tecniche di gestione dell impianto i dati relativi al bilancio energetico dell impianto sperimentale potranno essere poi utilizzati per validare i risultati del modello descritto nel capitolo seguente 2 descrizione impianto l impianto che si intende analizzare deve soddisfare il fabbisogno energetico elettrico di un complesso di unità residenziali utilizzando esclusivamente come sorgente primaria l energia solare a questo scopo il sistema di conversione tradizionale dell energia fotovoltaica è combinato ad un più innovativo sistema di accumulo dell energia basato su produzione stoccaggio ed utilizzo dell idrogeno come rappresentato in fig 1 ciascun componente che realizza una conversione della forma di energia è collegato ad un dedicato convertitore statico in questo modo si controlla ciascun elemento nel modo ottimale e si rende disponibile un bus comune mediante il quale l energia può essere scambiata tra i diversi componenti sotto forma di energia elettrica i pannelli fotovoltaici convertono parte del contenuto energetico della radiazione solare in energia elettrica il processo è possibile per le proprietà fisiche dei materiali semiconduttori impiegati attualmente i semiconduttori impiegati per la realizzazione di pannelli fotovoltaici sono di tipo inorganico silicio ed ottenuti medianti processi industriali derivati dall industria elettronica il materiale di base utilizzato per la realizzazione dei wafer in silicio è generalmente un prodotto di scarto della stessa industria elettronica molte sono le tecnologie attualmente in uso per la realizzazione delle celle fotovoltaiche monocristallino policristallino amorfo e molte quelle in via di sviluppo film sottile materiali semiconduttori polimerici fotovoltaico a concentrazione ecc l attività di ricerca e sviluppo in questo settore è mirata alla realizzazione di celle fotovoltaiche con efficienze sempre maggiori e costi decrescenti un importante obiettivo della ricerca è quello di ridurre la dipendenza dell industria fotovoltaica dall industria del silicio e di ridurre la quantità di energia necessaria al processo di fabbricazione della cella con le celle fotovoltaiche attualmente in commercio l efficienza della conversione energetica è intorno al 12-13 ciò significa che in condizioni di irraggiamento temperatura ed orientamento ottimale dei pannelli è possibile produrre al massimo circa 120 w di energia elettrica per ogni m2 di superficie effettiva delle celle i pannelli fotovoltaici forniscono una caratteristica d uscita del tipo di quella mostrata in fig 2 esiste una caratteristica per ciascun valore di irraggiamento e temperatura di funzionamento della cella al fine di estrarre dalla cella la massima potenza in ciascuna condizione di esercizio è indispensabile collegare il pannello ad un convertitore statico che imponga tensione o corrente ai capi del pannello corrispondenti al punto di massima potenza mppt maximum power point tracking le celle a combustibile costituiscono un sistema per la conversione elettrochimica dell energia contenuta nel combustibile idrogeno con le quali sono alimentate le celle a combustibile più idonee ad essere utilizzate nel sistema proposto sono le celle di tipo pem proton exchange caratteristica statica allo stack 45,0 42,5 40,0 37,5 35,0 tensione di stack [v 32,5 30,0 27,5 25,0 22,5 20,0 17,5 15,0 12,5 10,0 7,5 5,0 2,5 0,0 0,0 2,5 5,0 7,5 10,0 12,5 15,0 17,5 20,0 22,5 25,0 27,5 30,0 32,5 35,0 37,5 40,0 42,5 45,0 47,5 50,0 52,5 55,0 57,5 60,0 corrente di stack [a c urve di potenza 1700 1600 1500 1400 1300 1200 1100 potenza [w 1000 900 800 700 600 500 400 300 200 100 0 0,0 2,5 5,0 7,5 10,0 12,5 15,0 17,5 20,0 22,5 25,0 27,5 30,0 32,5 35,0 37,5 40,0 42,5 45,0 47,5 50,0 corrente ai m orsetti [a fig 2 caratteristica d uscita di una cella fotovoltaica in funzione dell irraggiamento e della temperatura fig 3 caratteristica d uscita di una cella a combustibile di tipo pem

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membrane questo per diversi fattori devono essere alimentate ad idrogeno purissimo impurità di co inferiori a 5 ppm in questo impianto l idrogeno è prodotto per elettrolisi dell acqua ed è quindi puro le celle pem operano a temperatura relativamente bassa 80° hanno tempi di avviamento brevi 1 min e non presentano problemi alle variazioni di carico la cella a combustibile presenta in uscita una caratteristica tipo quella mostrata in fig 3 normalmente la tensione di uscita dallo stack di celle è bassa 100v per raggiungere potenze elevate diversi stack di celle devono essere collegati in parallelo la tecnologia delle celle a combustibile in questo momento non è sufficientemente matura da consentirne una commercializzazione per applicazioni sul campo notevoli sono i limiti della tecnologia per gli elevati costi di produzione e per la durata di vita troppo breve attualmente è possibile utilizzare questa tecnologia esclusivamente a fini di ricerca o dimostrativi nonostante la notevole attività di ricerca in corso a livello mondiale non è programmata a medio termine alcuna massiccia immissione sul mercato di sistemi a celle a combustibile per applicazioni stazionarie o veicolari l elettrolizzatore è un convertitore elettrochimico in grado di scindere la molecola dell acqua nei suoi due componenti fondamentali idrogeno ed ossigeno l idrogeno prodotto diventa quindi un vettore di energia che può quindi essere immagazzinato in forma gassosa o liquida attualmente solo una minima parte dell idrogeno prodotto al mondo proviene da processi elettrolitici nonostante ciò questa tecnologia è sufficientemente matura e diffusa esistono sul mercato sistemi di produzione elettrolitica dell idrogeno di diverse taglie dai pochi l/h alle centinaia di nm3/h attualmente l efficienza energetica degli elettrolizzatori è intorno al 60 comprensiva dell energia necessaria ad una pressurizzazione modesta 5 bar l attività di ricerca in questo settore è volta ad ottenere efficienze più elevate mediante il miglioramento delle tecnologie membrane elettrolita ed elettrodi 3 modello del sistema il sistema di produzione accumulo ed utilizzo dell energia è stato interamente modellato sotto il profilo energetico in ambiente simulink di matlab [3 il principio di funzionamento del sistema modellato è il seguente i pannelli fotovoltaici sono collegati ad un convertitore dc/dc che è in grado di far funzionare il pannello stesso nel punto di massima potenza in ogni istante in uscita dal convertitore collegato ai pannelli fotovoltaici è disponibile una potenza che dipende unicamente dall irraggiamento solare e dalle condizioni di esercizio dei pannelli temperatura orientamento questa potenza corrisponde al valore massimo che i pannelli fotovoltaici possono erogare in una data condizione il livello di potenza non è controllabile e quindi tutta la potenza solare convertita è trasferita al bus elettrico comune in funzione della domanda di potenza sull utenza la cella a combustibile sarà controllata in modo da poter erogare la quota di potenza corrispondente alla differenza tra la potenza richiesta e la potenza prodotta dai pannelli fotovoltaici essendo la produzione fotovoltaica pari a zero in assenza di irraggiamento solare la cella a combustibile sarà dimensionata per poter alimentare l intero carico in ogni istante qualora la potenza prodotta con i pannelli fotovoltaici superi la potenza richiesta del carico l eccesso di produzione è assorbita dall elettrolizzatore e si va quindi a costituire la riserva di energia sotto forma di idrogeno 3.1 cella a combustibile ed elettrolizzatore attualmente le celle a combustibile presentano rendimenti soddisfacenti 40-45 solo a pieno carico a carichi inferiori il processo di combinazione elettrochimica all interno della cella richiede portate di idrogeno in ingresso pressoché costanti indipendentemente dal carico al fine di conservare rendimenti soddisfacenti anche a bassi carichi è necessario prevedere sistemi di ricircolazione dell idrogeno non utilizzato nel modello si farà comunque riferimento ad un efficienza di conversione costante nella cella a combustibile indipendentemente dal carico nel primo caso di studio l elettrolizzatore è dimensionato per poter assorbire tutta la potenza corrispondente alla massima differenza tra valore massimo dell energia fotovoltaica prodotta e valore minimo della potenza consumata dall utenza in questo modo tutta l energia fotovoltaica prodotta è utilizzata per alimentare i carichi o per alimentare l elettrolizzatore e formare una riserva di idrogeno l uscita dell elettrolizzatore è collegata ad un serbatoio nel quale l idrogeno è stoccato alla stessa pressione con il quale è prodotto nell elettrolizzatore l efficienza di conversione dell elettrolizzatore è comprensiva anche dell energia per la sua pressurizzazione non sono quindi associate perdite energetiche al processo di stoccaggio dell energia l energia elettrica per l alimentazione dell elettrolizzatore è prelevata dal bus comune 3.2 utenza nei seguenti casi di studio si sono utilizzati diagrammi di carico ottenuti da uno studio die-cesi [4 relativo ad utenze domestiche localizzate in italia i diagrammi di carico possono essere determinati per ciascuna famiglia in basi a metodi statistici dipendenti dai seguenti dati ubicazione della residenza numero di persone residenti dati sociali numero di elettrodomestici presenti i risultati di questo studio sono qui utilizzati in forma aggregata si è cioè creato un complesso residenziale costituito da 40 famiglie di caratteristiche diverse a titolo di esempio in fig 4a,b si riportano gli andamenti fig.4a carico elettrico per 40 famiglie residenti al nord in un giorno feriale fig 4b carico elettrico per 40 famiglie residenti al sud in un giorno feriale

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della curva di carico elettrico per due complessi residenziali costituiti da 40 unità abitative localizzati uno al nord e l altro al sud italia in un giorno feriale 3.3 il sistema fotovoltaico il modello del sistema fotovoltaico è in grado di calcolare l irraggiamento in kwh/m2 sulla superficie dei pannelli fotovoltaici in base ai dati geografici localizzazione dell impianto geometrici orientamento dei pannelli e statistici copertura nuvolosa trasparenza dell aria ecc il modello utilizza il procedimento di calcolo fornito dalle norme uni 8477 ed uni 10349 per calcolare l irraggiamento giornaliero medio mensile su una superficie comunque orientata in funzione delle coordinate geografiche e dei dati climatologici locali copertura nuvolosa il metodo tiene conto inoltre dell interazione della radiazione solare con l atmosfera assorbimento riflessione diffusione della radiazione solare nota l energia che colpisce la superficie su base giornaliera il modello utilizza le curve di liu-jordan per calcolare l irraggiamento medio orario sulla superficie e quindi l andamento orario della potenza media radianza che è catturata dal pannello il modello utilizza un parametro denominato indice di soleggiamento che tiene conto della riduzione dell irraggiamento per effetto della copertura nuvolosa l indice di soleggiamento kt è un parametro che scaturisce dall analisi sperimentale dei dati acquisiti sul territorio l indice di soleggiamento è inserito come valore medio mensile questo parametro può essere variato in modo da prevedere scostamenti positivi o negativi del soleggiamento rispetto al valore medio mensile in fig 5a,b è rappresentato a titolo di esempio l andamento della radianza sui pannelli fotovoltaici in mesi diversi dell anno il modello consente quindi di determinare l andamento dell irraggiamento medio giornaliero durante il corso dell anno vedi fig 6 e quindi l irraggiamento solare annuale sui pannelli fotovoltaici noti i valori orari giornaliero mensile ed annuale dell irraggiamento solare sui pannelli per valutare la produzione energetica dei pannelli fotovoltaici è necessario conoscere il profilo della temperatura delle celle fotovoltaiche in fig 7 ad esempio è rappresentato l effetto della temperatura delle celle sul rendimento di conversione di un pannello fotovoltaico il modello prevede una stima del valore medio della temperatura nelle ore diurne delle celle fotovoltaiche questa irraggiamento [kwh/m2 irraggiamento giornaliero medio 7 6 5 4 3 2 0 1 2 località latitudine bologna 44° 48 irraggiamento 1.56 2 annuale mwh/m 3 4 5 6 mese 7 8 9 10 11 12 fig 6 andamento dell irraggiamento giornaliero medio [kwh/m2 nei diversi mesi dell anno indice di soleggiamento pari alla media mensile kt=0 inclinazione pannelli =45° stima utilizza dati sperimentali trattati statisticamente relativi alle temperature medie nelle ore diurne in diverse località italiane nota la temperatura ambiente la potenza incidente sul pannello le sue caratteristiche fisiche e geometriche si calcola la temperatura finale delle celle il metodo assume una velocità del vento pari a zero i risultati ottenuti con il modello sono stati poi verificati sull installazione fotovoltaica sperimentale il modello presentato riesce quindi a prevedere su base oraria sia il valore della radianza che della temperatura media sui pannelli fotovoltaici con questi elementi è quindi possibile per il tipo di pannello considerato stimare su base oraria il valore medio della potenza elettrica prodotta utilizzando questo valore si calcola su base giornaliera mensile ed annuale il contributo energetico fornito dai pannelli fotovoltaici al sistema energetico considerato 4 risultati tab i valori medi giornalieri nelle ore diurne della temperatura ambiente e della temperatura delle celle a bologna per un valore di irraggiamento di 600 w/m2 mese città t amb diurna °c t cella °c giugno gennaio bologna bologna t 27.5 2.1 46.9 24.1 0,150 0,145 0,140 0,135 0,130 0,125 0,120 0,115 0,110 0,105 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 fig 5a,b andamento della radianza [w/m2 in funzione dell ora solare a bologna nei mesi di gennaio e giugno indice di soleggiamento pari alla media mensile kt=0 inclinazione pannelli =45° temperatura pannello [°c fig 7 efficienza di conversione di un pannello fotovoltaico in funzione della temperatura pannello shell solar sq 150 -c irraggiamento 800 w/m2

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tab ii caratteristiche dell impianto esaminato campo fotovoltaico località bologna latitudine 44°48 tipo pannelli shell solar sq 150 -c estensione pannelli 1200 m2 inclinazione pannelli 45° fissa coefficiente di albedo 0.2 carico residenziale 40 famiglie tipo di utenza composizione media del nord italia distinti per giorno diagrammi di carico feriale sabato festivo distinti per stagione elettrolizzatore cella a combustibile rendimento elettolizzatore 70 rendimento cella a 45 combustibile serbatoio idrogeno stoccaggio iniziale 200 kg al fine di analizzare l andamento della produzione del consumo e dell accumulo di idrogeno su diverse basi temporali si fa riferimento ad un installazione localizzata nella città di bologna il cui dimensionamento è riportato in tab ii i risultati delle simulazioni sono riportati nelle fig.8-10 in fig 8 sono indicati l andamento giornaliero dei valori medi orari delle potenze prodotta dai panelli fotovoltaici consumata dall utente assorbita dall elettrolizzatore ed erogata dalla cella a combustibile in fig 9a,b sono rappresentati gli andamenti giornalieri della produzione del consumo e del livello di idrogeno stoccato nel serbatoio in fig 10 sono rappresentati gli andamenti mensili della riserva di idrogeno per i mesi rispettivamente di giugno e gennaio dall andamento mensile è poi possibile passare alla w fotovoltaico elettrolizzatore portata di idrogeno elettrolizzatore cella a com bustibile quantità di idrogeno nel serbatoio idrogeno giornaliero giugno bo idrogeno prodotto idrogeno consumato bilancio idrogeno nel serbatoio 14.6 kg 12.3 kg 2.31 kg fig 9a,b andamento giornaliero della produzione e del consumo di idrogeno andamento della quantità di idrogeno immagazzinata nel serbatoio idrogeno mensile giugno bo idrogeno prodotto idrogeno consumato bilancio idrogeno nel serbatoio cella a combustibile 430.6 kg 358.4 kg 72.2 kg carico potenza elettrica giornaliera giugno bo consumo giornaliero utenze 392 kwh produzione fotovoltaica 856 kwh consumo elettrolizzatore 648 kwh produzione cella combustibile 184 kwh fig 8 andamento giornaliero della potenza media oraria nei diversi sottosistemi in un giorno del mese di giugno idrogeno mensile gennaio bo idrogeno prodotto idrogeno consumato bilancio idrogeno nel serbatoio 156.5 kg 600.8 kg 444.3 kg fig 10a,b andamento mensile della quantità di idrogeno immagazzinata nel serbatoio nei mesi di giugno e gennaio

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tab iii caratteristiche dell impianto realizzato campo fotovoltaico località latitudine tipo pannelli estensione pannelli inclinazione pannelli marca riepilogo annuale idrogeno -bologna tipo potenza d uscita elettrolizzatore marca portata h2 serbatoio idrogeno pressione operativa capacità 4 bar 0.3 nm3 claind hg 2400 24 nl/h cella a combustibile ballard nexa power module pem proton exchange membr 1200 w bologna 44°48 shell solar sq 150 -c 30 m2 45° fissa idrogeno prodotto idrogeno consumato bilancio idrogeno nel serbatoio 5703 kg 4120 kg 1583 kg riepilogo annuale idrogeno -palermo idrogeno prodotto idrogeno consumato bilancio idrogeno nel serbatoio 4565 kg 4100 kg 1565 kg fig 11a,b andamento della quantità di idrogeno immagazzinata nel serbatoio per lo stesso sistema installato a bologna ed a palermo valutazione annuale del bilancio energetico del sistema che è rappresentata in fig 11a dall andamento del livello dell idrogeno immagazzinato nel serbatoio si rileva che il bilancio tra idrogeno prodotto e consumato nell arco di un anno nell installazione di bologna è negativo di 1585 kg a fronte di questo risultato si utilizza il modello per valutare il comportamento dello stesso sistema energetico nella città di palermo le prestazioni del sistema in questa città sono riassunte dal diagramma di fig 11b dove l andamento del livello di idrogeno durante l anno porta ad un surplus di produzione pari a 1560 kg questo risultato è incoraggiante in quanto il bilancio positivo tra produzione e consumo annuale di idrogeno suggerisce una fattibilità sotto il profilo energetico di questo sistema 5 stazione sperimentale la stazione sperimentale installata presso il dipartimento di ingegneria elettrica è costituita dai seguenti sottosistemi di conversione illustrati in fig.1 pannelli fotovoltaici elettrolizzatore cella a combustibile e dai relativi convertitori elettronici di potenza in tab iii sono riportate le caratteristiche principali dell impianto sperimentale ed in fig 12 13 le fotografie dei principali sistemi di conversione 6 conclusioni la fattibilità pratica del sistema proposto è attualmente condizionata dal livello di sviluppo delle tecnologie cella a combustibile elettrolizzatore pannello fotovoltaico qualora fig 12 cella a combustibile ballard nexa 1200w ed elettrolizzatore claind hg2000 fig 13 pannelli fotovoltaici e serbatoi di idrogeno queste tecnologie saranno sufficientemente mature da poter essere economicamente utilizzate su ampia scala occorrerà valutare soluzioni diverse per l accumulo dell idrogeno diverse dal contenimento in serbatoi in pressione di quantità di idrogeno rilevanti nelle immediate vicinanze degli utilizzatori 7 bibliografia [1 goetzberger a bopp g griesshaber w stahl w the pv/hydrogen/oxygen-system of the self-sufficient solar house freiburg photovoltaic specialists conference 1993 ieee pages 1152 -1158 [2 rahman s tam k.s a feasibility study of photovoltaic-fuel cell hybrid energy system energy conversion ieee transaction on volume 3 issue 1 march 1988 pages 50 -55 [3]khallat m.a rahman s a model for capacity credit evaluation of grid-connected photovoltaic systems with fuel cell support power systems ieee transactions on volume 3 issue 3 aug 1988 pages 1270 -1276 [4 a contri c rossi a borghetti simulazione dell utenza residenziale elettrica e termica per la gestione di un impianto di micro-cogenerazione die rapporto interno bologna 2002.

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