I ricercatori spagnoli hanno effettuato un'analisi comparativa della produzione annuale di idrogeno alimentata da fotovoltaico per configurazioni dirette e indirette e hanno scoperto che i sistemi indiretti non solo producono più idrogeno, ma mostrano anche una maggiore resilienza alle perdite di potenza dei moduli.
Schemi della configurazione di accoppiamento diretto (a) e della configurazione di accoppiamento indiretto (b)
Immagine: Universidad Politécnica de Madrid, Conversione e gestione dell'energia, CC BY 4.0
Gli scienziati della Technical University of Madrid in Spagna hanno condotto uno studio comparativo delle configurazioni di accoppiamento diretto e indiretto per PV ed elettrolizzatori nella produzione di idrogeno verde (H2). Lo studio si è basato su simulazioni numeriche eseguite sul software MATLAB, con condizioni meteorologiche basate su un tipico anno meteorologico a Madrid.
I sistemi a idrogeno alimentati da fotovoltaico in cui l'ingresso dell'elettrolizzatore è collegato all'uscita elettrica del generatore fotovoltaico senza uno stadio di potenza intermedio sono spesso definiti come aventi una configurazione ad accoppiamento diretto. I sistemi con configurazione indiretta, al contrario, incorporano componenti elettronici per polarizzare il generatore fotovoltaico alla sua massima potenza e utilizzano l'inseguimento del punto di massima potenza (MPPT), garantendo la massimizzazione della generazione di energia fotovoltaica al variare delle condizioni meteorologiche, con un convertitore CC-CC che adatta la potenza in uscita fornita dall'MPPT alla potenza in ingresso dell'elettrolizzatore.
"La configurazione indiretta prevede uno stadio di potenza (PS) con un inseguitore del punto di massima potenza e un convertitore DC-DC, mantenendo un trasferimento di potenza ottimale dal PV agli elettrolizzatori ma subisce perdite al PS. La configurazione diretta evita queste perdite ma richiede una progettazione specifica del generatore PV per ottenere un elevato trasferimento elettrico", hanno affermato gli scienziati, riferendosi ai principali vantaggi e svantaggi di ciascuna configurazione.
“A difesa dell'accoppiamento diretto, diversi autori affermano che questa configurazione potrebbe essere sufficientemente buona da far funzionare l'elettrolizzatore vicino all'MPP se l'array fotovoltaico e l'elettrolizzatore sono progettati correttamente; altri dichiarano che la configurazione ad accoppiamento diretto è economicamente vantaggiosa, poiché i costi dei sistemi di accoppiamento elettronico vengono completamente evitati.”
Il gruppo di ricerca ha condotto una serie di simulazioni su un allestimento sperimentale costituito da un modulo solare da 100 W e un elettrolizzatore a membrana a scambio protonico (PEM) con una densità di corrente massima di 4 A-cm2. Nel caso del sistema indiretto, si presume che l'efficienza del convertitore DC-DC sia del 95%, mentre nel caso del sistema diretto, il numero di celle solari collegate in serie e l'area delle celle sono stati ottimizzati preservando la potenza del modulo FV per un confronto equo.
“La presenza dell’MPPT fa sì che il modulo fotovoltaico operi al suo MPPT per tutte le condizioni meteorologiche, a differenza della configurazione ad accoppiamento diretto, che funziona solo vicino all’MPPT per un intervallo limitato di irraggiamento globale e temperatura, anche quando il numero delle sue celle è stato ottimizzato", ha spiegato il gruppo.
“Questa maggiore potenza fotovoltaica si traduce anche in una maggiore quantità di energia elettrica trasferita all’elettrolizzatore e, quindi, in una maggiore produzione di H2.”
Attraverso questa analisi, gli scienziati hanno scoperto che, grazie al PS, la configurazione di accoppiamento indiretto può iniettare 223 kWh all'anno di energia elettrica, ovvero il 39.4% in più rispetto alla configurazione diretta, nell'elettrolizzatore. Ciò sarebbe sufficiente a produrre 5.79 kg di H2 in un anno, ovvero il 37.5% in più rispetto alla quantità prodotta nel sistema di accoppiamento diretto.
Si è scoperto che il sistema diretto raggiunge un'efficienza energetica del 5%, mentre quello indiretto ha mostrato un'efficienza del 6.9%.
Inoltre, gli scienziati hanno anche valutato quale sistema è più resiliente alle perdite di potenza del modulo. Se avesse perso una delle 20 celle nel modulo FV, il sistema diretto avrebbe perso il 18.3% della sua produzione di H2, mentre quello indiretto ne avrebbe perso solo il 5%. Con una perdita di sette celle, il sistema diretto smetterà di produrre H2, mentre quello indiretto continuerà a produrlo, anche se con una capacità inferiore del 37%.
Inoltre, gli accademici hanno scoperto che solo quando l'efficienza del convertitore DC-DC scende al di sotto del 73% produrrà meno H2 rispetto al sistema ad accoppiamento diretto. "Affinché un progetto di convertitore DC-DC sia considerato valido, la sua efficienza deve superare il 90%, quindi è improbabile che si verifichi uno scenario con efficienze e produzione di H2 basse come nell'accoppiamento diretto", hanno sottolineato i ricercatori.
I loro risultati possono essere trovati nello studio “Ottimizzazione della produzione di idrogeno: uno studio comparativo dell’accoppiamento diretto e indiretto tra fotovoltaico ed elettrolizzatore”, pubblicato in Conversione e gestione dell'energia.
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Fonte da rivista pv
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