Scienziati canadesi hanno proposto di combinare la generazione di energia fotovoltaica sui tetti con un elettrolizzatore alcalino e una cella a combustibile per generare idrogeno negli edifici. Il nuovo sistema ha lo scopo di consentire l'accumulo stagionale di energia e ridurre il costo energetico livellato di una casa.
I ricercatori della Toronto Metropolitan University hanno proposto di combinare i sistemi di celle a combustibile a idrogeno con la generazione di fotovoltaico sui tetti nelle applicazioni edili.
Hanno testato la configurazione di un sistema ibrido di questo tipo presso il laboratorio BeTOP, che si trova nel campus universitario di Toronto, per ottenere informazioni sulla potenziale applicazione dell'idrogeno come strategia di stoccaggio stagionale negli edifici.
Il sistema proposto comprende pannelli fotovoltaici, un elettrolizzatore alcalino, un compressore, un'unità di stoccaggio dell'idrogeno gassoso, un sistema di celle a combustibile, inverter e un sistema di controllo che regola la distribuzione dell'energia all'interno del sistema. L'edificio ospita inoltre pompe di calore ad aria per il riscaldamento e il raffrescamento, oltre ad un sistema idronico radiante a pavimento.
"Il sistema fotovoltaico genera energia elettrica e l'unità di controllo considerata monitora se l'energia prodotta può coprire il carico dell'edificio, compresa la domanda di riscaldamento e raffreddamento fornita dal sistema di pompe di calore ad aria", hanno spiegato gli scienziati. “In caso di generazione di energia in eccesso, l’unità dell’elettrolizzatore produce l’idrogeno e, su richiesta, l’idrogeno immagazzinato viene trasferito all’unità di celle a combustibile che genera elettricità per coprire il deficit di potenza del sistema.”
L'idrogeno generato dall'unità di elettrolisi viene immagazzinato in un serbatoio di stoccaggio del gas ad una temperatura di 20 C e poi utilizzato dalla cella a combustibile in base alla domanda di elettricità dell'edificio.
Il gruppo ha modellato il sistema ibrido con il software TRNSYS, utilizzato per simulare il comportamento dei sistemi rinnovabili transitori, e ha utilizzato il metodo della superficie di risposta (RSM), comunemente utilizzato per prevedere le relazioni tra diverse variabili esplicative e una o più variabili di risposta , per simulare le prestazioni del sistema proposto.
L’analisi ha mostrato che l’elettrolizzatore funziona con un’efficienza inferiore durante l’inverno, a causa dei bassi livelli di radiazione solare, mentre in estate raggiunge la massima produzione, con lo stato di carica (SOC) del sistema che aumenta significativamente tra maggio e agosto.
“I risultati indicano che il sistema ibrido in giugno e luglio ha una dipendenza minima dalla rete con solo 33.2 kWh e 41.3 kWh di utilizzo di elettricità di rete, rispettivamente, mentre a dicembre più dell’88% del carico richiesto dovrebbe essere fornito dalla rete, ", hanno spiegato i ricercatori.
La simulazione ha inoltre sottolineato la necessità di immagazzinare l’elettricità fotovoltaica tramite elettrolisi nel periodo estivo, poiché la produzione di energia solare supera 2.5 volte il carico richiesto dall’edificio.
"I risultati indicano che l'energia elettrica prodotta dalle celle a combustibile nel periodo estivo corrisponde in media al 31% della produzione di elettricità dalle celle fotovoltaiche", ha sottolineato il gruppo di ricerca. “È anche degno di nota ricordare che una maggiore quantità di energia prodotta dalle celle a combustibile nel mese di gennaio rispetto a quella del sistema fotovoltaico è attribuibile al livello iniziale del serbatoio di stoccaggio dell’idrogeno all’inizio delle simulazioni”.
Gli accademici hanno inoltre scoperto che la configurazione ideale del sistema per l'edificio selezionato richiederebbe 39.8 m2 di pannelli solari integrati con un 3.90 m3 serbatoio di stoccaggio dell'idrogeno. Hanno inoltre accertato che il sistema ibrido può raggiungere un costo livellato dell’energia (LCOE) compreso tra 0.389 dollari/kWh e 0.537 dollari/kWh.
Il nuovo sistema è stato descritto nello studio “Gestione energetica a zero emissioni attraverso ottimizzazioni multicriterio di un sistema ibrido di energia solare-idrogeno per un laboratorio a Toronto, Canada”, recentemente pubblicato su Energia ed edifici.
"Sarà utile condurre un'indagine comparativa tra le prestazioni tecnico-ambientali-economiche di questo studio e l'alternativa di utilizzare sistemi di accumulo dell'energia a batteria (BESS)", hanno detto gli scienziati riferendosi alla direzione futura del loro lavoro. “Questa analisi può anche essere estesa al caso di utilizzo sia dello stoccaggio dell’idrogeno che del BESS con un’adeguata ottimizzazione economica per ridurre al minimo i costi di cui sopra”.
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Fonte da rivista pv
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