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Capitolo 8 I nuovi sistemi di generazione

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CAP. 8 I nuovi sistemi di generazione 1. Celle a combustibile 1.1. Generalit Il panorama della produzione di energia elettrica, tradizionalmente caratterizzato da unampia articolazione dei sistemi di generazione a causa di un complesso intreccio di fattori tecnici, economici, legislativi e politici oltre che della disponibilit di sorgenti primarie, divenuto in questi ultimi anni sempre pi condizionato da vincoli ambientali. Le maggiori spinte in questa direzione derivano dalla crescente difficolt, pressoch indipendente dalla tipologia dellimpianto, nellindividuare siti per impianti di grande potenza e dalle preoccupazioni sugli effetti dei gas serra, culminate negli impegni dei paesi industrializzati per una drastica riduzione delle emissioni di anidride carbonica. Di qui lattenzione verso nuovi sistemi di produzione, assai suggestivi ma ancora lontani dal dare risposte quantitativamente adeguate ai reali fabbisogni di energia e, di conseguenza, il parallelo interesse per impianti di produzione in grado di minimizzare i consumi di combustibile, di origine sia fossile che rinnovabile, grazie a rendimenti black box particolarmente elevati. Tra questi le celle o pile a combustibile (fuel cells), capaci di coprire unampia gamma di potenze, appaiono oggi molto attraenti: esse sono infatti caratterizzate da elevati rendimenti di conversione anche su taglie medio-piccole e/o a carico parziale, utilizzano come combustibile lidrogeno e hanno un impatto sullambiente praticamente nullo.

Lidrogeno viene da molti considerato come il combustibile ideale in quanto il suo utilizzo non produce emissioni gassose pericolose: in effetti la molecola di idrogeno gassoso, quando si combina con lossigeno, genera energia e rilascia solo acqua. I combustibili fossili, invece, bruciando generano energia e rilasciano lanidride carbonica, che additata tra i maggiori responsabili delleffetto serra. Lidrogeno per non pu essere considerato come una fonte primaria di energia perch non presente come molecola gassosa libera sulla Terra; esso assai diffuso in natura (nellacqua, nel petrolio, nei combustibili fossili, nelle piante, negli esseri viventi) e deve essere prodotto tramite processi di conversione che richiedono energia. Lidrogeno non quindi una fonte energetica primaria ma piuttosto un vettore dellenergia, ossia di quellenergia spesa per la sua liberazione. Come vettore energetico pu svolgere un ruolo importante nei sistemi energetici futuri, particolarmente nel settore dei trasporti e nel settore della produzione stazionaria di energia elettrica, e grazie alle sue caratteristiche offre lopportunit di ottenere una combustione pulita (sia in motori a combustione interna sia in celle a combustibile) con il vantaggio di ridurre a valori minimali lemissione di gas serra. Lidrogeno pu essere prodotto da fonti rinnovabili ed accumulato, permettendo il disaccoppiamento tra domanda ed offerta di energia che spesso caratterizza tali fonti di energia. Infatti l'impiego dellidrogeno come vettore energetico consentirebbe di accumulare in maniera efficiente l'energia prodotta dalle fonti rinnovabili (solare, eolica) nei momenti di maggiore disponibilit e di riutilizzarla nei momenti e nei luoghi richiesti. Lidrogeno pu essere prodotto dai combustibili fossili, ad esempio il gas naturale, tramite un processo di reforming. Il reforming a vapore utilizza un combustibile a base di idrocarburi, un catalizzatore e del vapore ed introduce calore addizionale da una fonte esterna per ottenere le seguenti reazioni chimiche:

CH4 + H2O CO + 3 H2 CO + H2O CO2 + H2 Lidrogeno anche prodotto dal carbone e dagli oli pesanti mediante un processo di gassificazione. Ci si ottiene trattando il combustibile con vapore e aria o ossigeno ad elevate temperature e pressioni. Infine lidrogeno pu essere prodotto dagli impianti nucleari, sfruttandone il calore o lenergia elettrica generata: lidrogeno viene ottenuto termochimicamente o per elettrolisi dallacqua.

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1.2. Principio di funzionamento La cella a combustibile pu essere assimilata a un dispositivo in cui entrano un combustibile e un ossidante e da cui escono energia elettrica, acqua e calore. In altre parole, si tratta di un generatore chimico-elettrico che, evitando i passaggi intermedi attraverso lenergia termica e lenergia meccanica, converte direttamente in elettricit lenergia chimica di un combustibile.

Confronto tra celle a combustibile e sistemi tradizionali di produzione dellenergia elettrica

I principali meccanismi funzionali sono assicurati essenzialmente da due elettrodi, catodo e anodo, ove avvengono le reazioni chimiche che complessivamente presiedono allossidazione controllata del combustibile, da un elettrolita con funzione di trasporto degli ioni dallanodo al catodo (o viceversa, secondo il tipo di elettrolita e la carica positiva o negativa degli ioni) e dai sistemi di adduzione dei gas di processo e di prelievo della corrente elettrica. Proprio la corrente elettrica, che dipende dalla richiesta di potenza da parte dellutilizzatore, lo strumento di controllo della reazione di ossidazione che avviene nella pila. Elevati prelievi di potenza, e quindi elevate correnti, consentono forti flussi ionici attraverso lelettrolita, permettendo unaccelerazione della reazione; al contrario, in assenza di richiesta di potenza (e quindi a corrente nulla) non si ha flusso ionico attraverso lelettrolita e la reazione risulta impedita. Si hanno due condizioni di funzionamento estreme: per effetto della corrente richiesta tutto il combustibile inviato alla cella viene ossidato ed esce

quindi totalmente esausto (sotto forma di anidride carbonica e acqua): in questo caso si dice che il coefficiente di utilizzo del combustibile del 100%;

in assenza di corrente (funzionamento a vuoto) la reazione si arresta e quindi il combustibile transita attraverso la cella senza essere ossidato e ne esce inalterato: in questo caso si dice che il coefficiente di utilizzo del combustibile dello 0%.

In realt nessuno di questi casi ha interesse pratico: nel primo, bench lo sfruttamento del combustibile sia massimo, la cella funziona in condizioni operative lontane da quelle ottimali e quindi con rendimenti assai inferiori a quelli massimi ottenibili; nel secondo, evidentemente, il rendimento nullo. Nella pratica conviene mantenere il coefficiente di utilizzo del combustibile in una fascia ben definita, regolando la portata di combustibile in funzione della corrente richiesta. Il campo ottimale prescelto in funzione di numerosi fattori, tecnici ed economici, ma comunque riconducibili al tipo di applicazione e alla configurazione dimpianto.

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1.3. Sistema di celle Una conformazione tipica di un sistema di generazione a celle pu essere quello riportato in modo schematico nella figura seguente. A monte vi una sezione di trattamento del combustibile (reformer, spesso preceduto da un sistema di clean-up), che serve a trasformare il combustibile primario (gas naturale, biogas, gas di discarica o landfil gas, gas da carbone, gasolio, metanolo) in un gas ricco di idrogeno per alimentare le celle.

Al centro troviamo la sezione elettrochimica, costituita da un insieme di celle singole assemblate in uno o pi pacchi (stack), che rappresenta il cuore del sistema. Lo stack di celle pu essere rappresentato nello schema seguente.

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Poich luscita elettrica di una pila a combustibile in corrente continua, anche necessario un sistema di condizionamento della potenza elettrica per la trasformazione in alternata (inverter), per ladeguamento della tensione e, in caso di collegamento in rete, per assicurare le corrette interfacce e le opportune regolazioni (ad esempio, la potenza reattiva). Vi poi un sistema di regolazione e recupero del calore, che ha lo scopo primario di smaltire il calore prodotto dalla pila fornendo lapporto tecnico richiesto dal sistema di trattamento del combustibile e permettendo il recupero del calore residuo a fini di cogenerazione. Il coordinamento operativo delle diverse sezioni, nonch tutti gli interventi necessari per la sicurezza dellimpianto o per far fronte a possibili avarie o malfunzionamenti, assicurato da un sistema di supervisione e controllo. Si possono rapidamente analizzare i principali vantaggi delle celle a combustibile:

rendimenti elettrici elevati, con minima dipendenza dalla taglia e dalla parzializzazione del carico;

possibilit di cogenerazione e, per le filiere ad alta temperatura, di integrazione in cicli combinati;

ridotto impatto ambientale, grazie a bassissime emissioni inquinanti, minime emissioni acustiche, ridotte emissioni di anidride carbonica per gli alti rendimenti;

flessibilit rispetto al combustibile; facilit nellindividuazione dei siti di installazione, anche in zone densamente abitate e con

stringenti vincoli ambientali; elevata affidabilit e bassa manutenzione per lassenza di parti in movimento; capacit di offrire unelevata power quality sotto il profilo della continuit, disponibilit,

possibilit di regolazione locale della potenza attiva e reattiva; pronta risposta alle variazioni di carico.

Per contro, uno dei principali limiti alla diffusione delle celle a combustibile rappresentata dagli alti costi. Inoltre si riscontrano problemi di affidabilit e di vita, ridotte densit di potenza e limitazioni nella potenza ottenibile modularmente.

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1.4. Tipologie di celle Esistono varie opzioni tecnologiche a seconda del tipo di elettrolita, ossia del conduttore ionico a cui, allinter

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