La domanda crescente di energia, accompagnata dalla nacessità della sicuerzza della fornitura elettrica e della riduzione dei gas serra, porta a dover studiare nuovi modelli, tra i quali la "micro generazione distribuita" che possano rappresentare una strategia di produzione e generazione più affidabile e di migliore qualità rispetto a quella tradizionale. L'ingresso della "generazione distribuita" nel mondo elettrico comporta la necessità di una maggiore flessibilità nel controllo e nella protezione della rete elettrica che, originariamente concepita come "passiva", diventa "attiva" in quanto si può anadare ad invertire il normale flusso di potenza.
La realizzazione di un laboratorio che punti alla sperimentazione sul campo delle nuove tecnologie, al trasferimento tecnologico verso le aziende partner che forniscono i macchinari ed il know-how tecnico, alla formazione specialistica attraverso il dottorato di ricerca, rientra nel progetto di cui cura il coordinamento e il monitoraggio Sapienza Innovazione, che prevede una rete trasversale di Joint Labs funzionale alla promozione dell'innovazione nell'ambito dell'Ateneo.
L'impianto di Tor di Quinto rappresenta un nodo attivo che si colloca all'interno di un progetto più ampio e già avviato, denominato smart grid La Sapienza; infatti tale progetto ha già operato la suddivisione della città Universitaria in 9 isole energetiche distinte ma interconnesse tra loro, attraverso la rete lettrica del distributore ACEA ed il sistema di teleriscaldamento della Città Universitaria. Il progetto prevede lo sviluppo di un sistema di gestione decentralizzato e distribuito su ampie zone di territorio composto da sistemi locali di misura, di interfacciamento, di calcolo, di pre-elaborazione dei dati. Altri aspetti significativi sono l’utilizzo di sistemi energetici ad elevata efficienza, la definizione di un sistema integrato di fonti energetiche eterogenee, sia di tipo tradizionale che rinnovabili; di un sistema di procedure e strategie di modulazione della domanda energetica, in termini di potenza elettrica, termica e frigorifera, in grado di operare un ottimizzazioni dal lato domanda.
All’interno del programma del Joint Lab Microcogenerazione Distribuita rientra la realizzazione dell’impianto di microcogenerazione ad idrometano realizzato a Tor di Quinto che prevede una prima fase di installazione dei dispositivi, di test, di collaudi con la messa a punto di sistemi di misura e sviluppo di metodologie ed algoritmi per la gestione ed il controllo delle grandezze oggetto della ricerca (temperature di funzionamento, concentrazioni delle emissioni, rendimenti del sistema).
In questo quadro generale, il laboratorio di Tor di Quinto si configura come uno dei nuovi centri di autoproduzione e di autoconsumo facente capo alla smart grid della Sapienza sebbene distante, topologicamente, dal complesso edilizio relativo alla città Universitaria, venendo a costituire, inoltre, il primo sistema ibrido realizzato in Italia che impiega, in modo sinergico e razionale, le tecnologie della cogenerazione, del fotovoltaico e della produzione di idrogeno mediante processo elettrolitico. Nella figura seguente è riportato uno schema funzionale esplicativo del sistema energetico ibrido realizzato.
Le caratteristiche energetiche del Centro Sportivo Universitario dell’area di Tor di Quinto hanno suggerito lo sviluppo di un progetto specifico per l’utilizzo di sistemi microcogenerativi asserviti alla gestione termica della piscina.
Il programma innovativo e sperimentale di questo impianto sarà replicato per le piscine inserite nel programma della candidatura olimpica di Roma per il 2020.
Infatti sulla base dei risultati ottenuti da uno studio di fattibilità condotto sul sistema attualmente esistente è stata evinta l’opportunità di installare un motore endotermico della taglia di 60 kW elettrici che, grazie al recupero termico, è in grado di trasferire all’impianto di riscaldamento una potenza di circa 120 kW termici sotto forma di produzione di acqua calda, operando con un rendimento globale del 90 %. Nelle tabelle seguenti sono state riportate tutte le caratteristiche del cogeneratore BIBLOC 60 fornito dalla CPL Concordia.
La realizzazione del’impianto innovativo di microcogenerazione ad idrometano è stato caratterizzato dall’integrazione con una centrale termica esistente, costituita da una coppia di caldaie di potenza nominale pari a 400 kW ciascuna collegate in parallelo tra loro con la funzione di back – up ed integrazione. Tale potenza termica è asservita alla produzione di acqua calda per la termoventilazione e per il mantenimento della temperatura dell’acqua di una piscina olimpica coperta.
Il cogeneratoreè stato inserito in serie alle due caldaie, assolvendo alla funzione di preriscaldamento dell’acqua di alimentazione delle caldaie stesse; in corrispondenza di condizioni di carico minimo le caldaie risultano spente e tutta la potenza termica cogenerata (120 kW) viene ceduta direttamente all’impianto. Per quanto riguarda il combustibile di alimentazione del motore è stata prevista la possibilità di operare con gas metano al 100 %, oppure con una miscela arricchita di idrogeno (idrometano) di composizione modulabile (nominalmente nel range 0 - 5 % in volume che, nelle analisi a carico ridotto, può essere esteso fino al 10%) mediante apposita apparecchiatura miscelatrice.
Va inoltre sottolineato che l’idrogeno da additivare al gas metano viene prodotto da un elettrolizzatore di potenzialità di 1 Nm3/h, realizzato in conformità alle vigenti normative CE, PED, ATEX e ISO. L’elettrolizzatore si compone di due sezioni: l’unità di processo che contiene al proprio interno le apparecchiature per la generazione dei gas H2 e O2, e l’unità di controllo che è costituita dalle apparecchiature elettroniche per l’alimentazione ed il controllo del sistema.
La cella Elettrolitica EM è il cuore del processo. E 'costituita da una serie impilata di un certo numero di celle elettrolitiche bipolari di design brevettato, marchio VOLTIANA ®, che fornisce efficienti prestazioni adeguate ad operare sotto pressione. Idrogeno e ossigeno sono generati all'interno delle cellule attraverso l'azione di una corrente continua (DC), che divide l'acqua a seguito delle note equazioni chimiche:
catodo: 2 H 2 O + 2 e-=> 2 OH-+ H2
anodo: 2 OH-=> H2O + ½ O2 + 2 e-
globale: H 2 O = H 2 + ½ O 2
Questa equazione mostra che il volume di idrogeno generato dal processo elettrochimico è il doppio di quello dell'ossigeno.
La scissione dell'acqua richiede una Potenza (teoricamente circa 5kW/Nm3 di idrogeno generato), che viene fornito dal flusso di corrente continua. Ogni dispositivo elettrochimico ha una perdita di potenza intrinseca, ma grazie al particolare design delle celle VOLTIANA ® gli elettrolizzatori hanno basse perdite, dissipate in calore, e consentono alle cellule di arrivare fino al 75% di efficienza energetica.
Al fine di aumentare l'efficienza della cella, l'acqua contenuta è resa altamente conduttiva con l'aggiunta di idrossido di potassio (KOH), formando una soluzione elettrolitica.
L'idrogeno e l'ossigeno generati nella cella vengono convogliati verso l’uscita e spinti fino ai serbatoi di separazione; nei serbatoi avviene la separazione della fase liquida da quella gassosa ,dato che parte dell’elettrolita viene trascinato via dall’efflusso dei gas, e quindi quest’ultimo viene reindirizzato alla cella.
I due gas vengono successivamente filtrati, attraverso dei separatori che eliminano le ultime goccioline prima di essere consegnate al gruppo di stoccaggio interno. L'idrogeno viene instradato attraverso una valvola di regolazione servocomandata, mentre l'ossigeno è solitamente evacuato nell'ambiente.
L'eccesso di calore liberato dal processo, viene rimosso da un circuito chiuso di acqua di raffreddamento, scambiando prima calore con l’ elettrolita, e infine con un radiatore raffreddato ad aria.
Tale apparecchiatura assorbe 6 kW elettrici dalla rete ACEA cui però è collegato un impianto fotovoltaico della potenza di picco massima di 5 Kwp realizzato con pannelli semitrasparenti, totalmente integrati nella facciata di una palazzina adiacente allo stabile sede del laboratorio. La realizzazione dell’impianto fotovoltaico rappresenta, come la realizzazione della distribuzione e dei collegamenti impiantistici e il coinvolgimento di un certo numero di borse di studio di dottorato e di post-dottorato, la linea di intervento a valere sulla quota del 35% di cofinanziamento a carico dell’Ateneo.
L’impianto di produzione di idrogeno è pertanto alimentato completamente da fonte rinnovaile.
Ai fini sempre della sostenibilità economica della quota parte di investimento inerente al gruppo di cogenerazione, compatibilmente ai vincoli tecnici dettati dal time scheduling di funzionamento dell’impianto di riscaldamento esistente, si sono ipotizzate a regime, una volta cioè completata la fase di sperimentazione, 4000 h/anno di funzionamento, con una producibilità attesa di energia elettrica pari a 240.000 kWh/anno, e di 480.000 kWh/anno di energia termica con 4000 Nm3/anno di idrogeno a pressione di 2 bar.
Durante la fase sperimentale verranno studiati i parametro di funzionamento con particolare riferimento alla riduzione dell’inquinamento derivante oltre che dall’applicazione della tecnologia cogenerativa anche dall’impiego dell’ idrogeno nelle sue diverse percentuali di utilizzo. Scopo primario della installazione, che comporterà una riduzione della bolletta energetica di circa 30.000 €/anno, è quella di monitorare le prestazioni “motoristiche“, le emissioni di gas serra in funzione anche delle diverse composizioni della miscela ed, in ultimo, fornire le specifiche tecniche per la realizzazione su larga scala di sistemi turn - key caratterizzati da elevato grado di standardizzazione, scalabilità, modularità e replicabilità.
Facendo inoltre riferimento ad una ulteriore fase di sviluppo del progetto Joint Lab di estendere la funzionalità del sistema elettrolizzatore, compatibilmente al tasso di disponibilità della macchina, per un numero di ore anno maggiore di quello previsto, al fine di garantire l’approvvigionamento di idrogeno in un distribuzione realizzabile sempre nelle aree di pertinenza del centro sportivo, che consenta di garantire il rifornimento ad autoveicoli spinti da motori a combustione interna di nuova generazione o da fuel - cell. Questa ipotesi costituisce, pertanto, il primo passo per la realizzazione un sistema energetico di moderna concezione che rappresenti di fatto lo sviluppo di un modello tecnico - economico di transizione verso l’ idrogeno e verso la cosiddetta mobilità sostenibile.
I risultati e l’utilizzo delle competenze del laboratorio costituiranno la base tecnico-scientifica per lo sviluppo di un modello energetico alternativo ed innovativo da implementare in vaste aree della città di Roma. Sulla base di tali risultati saranno sviluppati sistemi su scala territoriale già presenti nel Piano d’Azione per l’Energia della Città di Roma, quali le smart grid all’EUR, la cogenerazione degli impianti natatori, la riqualificazione energetica delle periferie. Azioni di spin-off universitario possono essere lanciate nel settore della micro cogenerazione ad idrometano o nella distribuzione di idrometano per la mobilità sostenibile, cosi come pure attività di trasferimento tecnologico con le società operanti – a cominciare dalle aziende coinvolte nel programma - nel settore della generazione dell’energia e della gestione e controllo dei sistemi energetici. Inoltre il laboratorio fornisce il supporto tecnico-scientifico per l’attività di formazione ed informazione sul territorio. Infatti, sul laboratorio insiste l’attività del dottorato di ricerca in Risparmio Energetico e Generazione Distribuita dell’Energia.
Responsabile Scientifico: prof. ing. Livio de Santoli
Gruppo di Ricerca: Fabrizio Giamminuti e Gianluca Zori (Servizio di Ateneo per l’Energia), Francesco Mancini e Fabio Fraticelli (CITERA), Davide Dondi, Gianluigi Lo Basso e Calice (dottorato di Ricerca in Risparmio Energetico e Generazione Distribuita dell’Energia)
Strutture di Ricerca e Aziende coinvolte nella sperimentazione: Tongji University, ACEA Distribuzione, IBM Italia, Harpa Italia, CPL Concordia, Nitidor/Sapio
* Questo articolo è tratto da Comunicare Energia, N° 1 Gen-Feb 2011.
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