LA2.2.11 – Integrazione di generatori PEM e SOFC come gruppi di continuità in ambienti reali

Attività

La Linea di Attività 2.2.11 è dedicata all’integrazione e validazione in ambiente reale di generatori a celle a combustibile come sistemi di continuità energetica, con particolare attenzione all’impiego di un cogeneratore SOFC (Solid Oxide Fuel Cell). L’attività parte dalla caratterizzazione dei fabbisogni energetici dell’edificio-laboratorio, attraverso l’analisi dei profili di consumo, l’identificazione dei carichi critici e la simulazione delle condizioni ordinarie e di emergenza. Su questa base viene definito il corretto dimensionamento del sistema e la strategia di integrazione con l’infrastruttura energetica esistente. Un ruolo centrale è svolto dal cogeneratore SOFC, la cui sperimentazione consentirà di valutare in condizioni reali non soltanto la produzione continua ed efficiente di energia elettrica, ma anche la possibilità di recuperare e valorizzare l’energia termica, incrementando l’efficienza complessiva del sistema. I dati sperimentali saranno utilizzati per verificare stabilità, consumi, comportamento ai diversi livelli di carico e capacità di sostenere l’alimentazione dei servizi critici per periodi prolungati.Il confronto continuo tra simulazioni e prove sperimentali permetterà infine di ottimizzare il funzionamento del cogeneratore SOFC e la sua integrazione nell’edificio, individuando le strategie più efficaci di gestione elettrica e termica e fornendo indicazioni per la replicabilità della soluzione in altri contesti applicativi.

Risultati

È stato sviluppato in ambiente MATLAB un modello elettrochimico monodimensionale di una SOFC, in grado di prevedere la tensione e le prestazioni della cella al variare delle principali condizioni operative, considerando il potenziale reversibile e le perdite per attivazione e ohmiche. Il modello è stato validato utilizzando dati sperimentali ottenuti su uno short-stack SOFC da 15 celle, alimentato con differenti composizioni di combustibile e testato a diversi fattori di utilizzazione, temperature e livelli di carico. La validazione ha evidenziato una buona capacità predittiva, con scostamenti rispetto ai dati sperimentali sempre inferiori o uguali al 5%, e generalmente compresi tra circa l’1% e il 3% nelle principali condizioni investigate.  Il modello costituisce ora la base per la successiva simulazione dell’integrazione del generatore SOFC con il profilo reale di carico del laboratorio dell’edificio C23. L’obiettivo sarà valutare una modalità di funzionamento in cui la SOFC opera continuativamente: durante il normale esercizio del laboratorio la potenza prodotta può essere immessa in rete, mentre, in caso di interruzione dell’alimentazione elettrica, il generatore assume la funzione di UPS, garantendo l’alimentazione dei carichi individuati come prioritari. La simulazione permetterà quindi di verificare il corretto dimensionamento del sistema, la quota di fabbisogno copribile dalla SOFC e le strategie di gestione necessarie per assicurare la continuità del servizio. Questo sviluppo è coerente con l’obiettivo del modello di supportare il dimensionamento dei generatori sulla base dei profili di carico reali degli edifici-laboratorio. Per poter efficacemente procedere alla sperimentazione su scala rilevante è stato poi acquisito un cogeneratore commerciale della taglia di 10kW che verrà testato sul campo con miscele H2/CH4 (20/80%)

Figura 2

Confronto tra modello e dati sperimentali con alimentazione 100% H₂ a differenti fattori di utilizzazione: (a) 50%, (b) 60%, (c) 70%

Figura 3

Messa a punto di un modello di un cogeneratore SOFC

In collaborazione con

Università UNICAL DIMEG, Prof. Matteo Genovese

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