Cella a combustibile La tecnologia per il futuro?

Transcript

1 Cella a combustibile La tecnologia per il futuro? di Giacomo Bizzarri Nell ambito di un programma di ricerca triennale sui fabbisogni energetici degli ospedali, si è simulata l operatività di un impianto ibrido a fuel cells all acido fosforico in integrazione dei sistemi impiantistici convenzionali. Le analisi energetiche condotte in riferimento ad un ospedale del nord Italia hanno evidenziato notevolissime riduzioni dei fabbisogni di energia primaria ed un sostanziale abbattimento delle emissioni inquinanti. L e ricorrenti emergenze ambientali legate al notevole inquinamento atmosferico registrato in molte zone dell Italia nel corso degli inverni 2002 e 2003 hanno enfatizzato la necessità di utilizzare quanto più possibile tecnologie alimentate con fonti energetiche rinnovabili, o quantomeno caratterizzate da elevati rendimenti e da un impatto ambientale ridotto. Tale politica appare ancor più auspicabile nelle aree ad elevata densità urbana, morfologicamente più vulnerabili, anche al fine di rispettare gli impegni assunti con la sottoscrizione del protocollo di Kyoto e successivamente definiti nella delibera Cipe del 19 novembre 1998 [7]. Tra queste tecnologie, le celle a combustibile sembrano essere le più promettenti sia per gli elevati rendimenti di conversione energetica, sia per il ridottissimo impatto ambientale. Gli elevati costi di produzione, che hanno rappresentato il principale ostacolo alla diffusione delle fuel cells, sembrano destinati a ridursi in considerazione dei recenti sviluppi della ricerca industriale e dei finanziamenti che interessano e in futuro sempre più interesseranno l intero settore. A fronte di un imminente ingresso dei sistemi a fuel cells nel mercato energetico, è apparso utile produrre in questa sede, unitamente ad un resoconto dello stato dell arte della tecnologia, un primo studio mirato a valutare la reale fattibilità di questo tipo di impianti nell ambito delle strutture ospedaliere. In questa memoria vengono così esaminate e poste a confronto, in termini energetici, due differenti soluzioni impiantistiche: la prima, convenzionale, in cui l energia elettrica è acquistata dalla rete esterna mentre l energia termica e frigorifera sono fornite rispettivamente da caldaie ad alta efficienza e da gruppi frigoriferi a compressione, l altra, di tipo ibrido, in cui le suddette tipologie impiantistiche costituiscono semplicemente l integrazione di un impianto principale a celle a combustibile opportunamente dimensionato. Come caso di studio viene considerato un ospedale della Dott. ing. Giacomo Bizzarri, Dipartimento di Architettura, Università di Ferrara, giacomo.bizzarri@unife.it Pianura Padana di medie dimensioni, situato approssimativamente a latitudine 45, di cui sono note le caratteristiche morfologiche e di cui sono stati stimati i fabbisogni energetici relativi ad uno stato di fatto impiantistico di tipo convenzionale. I fabbisogni elettrici di questa struttura sono stati determinati mediante una procedura appositamente realizzata [3] a partire dagli unici dati a disposizione costituiti dalle fatturazioni dei consumi di energia elettrica dell Enel relative all anno I fabbisogni mensili termici e frigoriferi sono stati invece stimati attraverso due distinte procedure utilizzando sia un particolare software, di tipo Hvac-Cad, elaborato dalla Mc4Software (successivamente alla realizzazione di un modello in formato digitale dell ospedale), sia un secondo codice di calcolo realizzato all uopo. Si è quindi simulata l operatività di un impianto costituito da quattro celle a combustibile di tipo Pafc (Phosphoric Acid Fuel Cell, l elettrolita è una soluzione concentrata di acido fosforico) da 200 kw cadauna (la tipologia più diffusa, accompagnata quindi da una vasta letteratura tecnica di riferimento). La potenza così installata (800 kw) risulterebbe in ogni caso insufficiente a coprire i picchi dell impegno di potenza dell ospedale in esame spesso superiori ad 1 MW. Una simile taglia di impianto, coerente con i fabbisogni elettrici mensili costanti tipici di autunno, inverno e primavera, risulta tuttavia essere la più idonea (soprattutto considerando la necessità di mantenere l imprescindibile allacciamento dell ospedale alla rete elettrica esterna ed i correlati consistenti costi fissi legati agli elevati impegni di potenza) al fine di assicurare la continuità dell approvvigionamento anche nel caso di un possibile, seppur improbabile, guasto simultaneo di più celle. I risultati ottenuti hanno dimostrato che l utilizzo di questa tecnologia consentirebbe, con un impatto ambientale estremamente contenuto, di soddisfare una quota significativa del fabbisogno di energia elettrica dell ospedale, e di fruire, per cogenerazione, di energia termica e di energia frigorifera riducendo, nella stagione 69

2 Figura 2 - Processi elettrochimici di cella (da M. Ronchetti, A. Iacobazzi: Celle a Combustibile. Stato di sviluppo e prospettive della tecnologia ; Enea 2002 [6] pag. 7) Figura 1 - Confronto tra sistema convenzionale con ciclo di potenza alimentato da fonte energetica fossile e tecnologia a Cella a Combustibile (da M. Ronchetti, A. Iacobazzi: Celle a Combustibile. Stato di sviluppo e prospettive della tecnologia ; Enea 2002 [6] pag. 7) Figura 3 - Confronto di rendimenti e taglie medie tra impianti per sistemi convenzionali con ciclo di potenza alimentato da fonte energetica fossile e impianti a Cella a Combustibile (da M. Ronchetti, A. Iacobazzi: Celle a Combustibile. Stato di sviluppo e prospettive della tecnologia ; Enea 2002 [6] pag. 9) estiva, la dipendenza della struttura ospedaliera dalle caldaie e dai tradizionali ed energivori gruppi frigoriferi a compressione. Occorre infine sottolineare che, nonostante la aumentata flessibilità del mercato elettrico, l immissione di un eventuale eccesso di energia autoprodotta in rete e l assorbimento successivo di energia elettrica dalla rete stessa quando se ne presenti l esigenza, può non costituire una transazione economicamente vantaggiosa per il produttore. Per considerare compiutamente questo aspetto sarebbe necessario conoscere l evoluzione oraria, nel corso della giornata tipo, dei fabbisogni elettrici dell ospedale. Il programmato futuro monitoraggio di questi fabbisogni potrà consentire, in una successiva fase, un più approfondito esame di tutte le implicazioni economiche legate all autoproduzione di energia elettrica attraverso sistemi ibridi a fuel cells. Descrizione degli impianti a cella a combustibile Le celle a combustibile sono dispositivi relativamente semplici capaci di convertire l energia chimica del combustibile (idrogeno), in energia elettrica, energia termica e acqua secondo il processo inverso dell elettrolisi. L architettura modulare delle celle, assemblate in stacks, a loro volta raggruppati in moduli, le rende estremamente duttili alle esigenze dell utilizzatore. L assenza di un ciclo termico di potenza (Figura 1), caratteristico invece di tutti i sistemi convenzionali, consente poi di ottenere rendimenti molto elevati: una cella ideale, operante cioè con idrogeno e ossigeno puri, come noto da letteratura [6], consentirebbe rendimenti variabili tra lo 83% ed il 94,5% a seconda di temperatura e stato fisico dell acqua costituente il prodotto finale della reazione. Lo schema base della cella è costituito da due elettrodi porosi separati da un elettrolita (Figura 2). Sugli elettrodi avvengono le Figura 4 - Confronto tra le emissioni di impianti a ciclo di potenza convenzionali e quelle di impianti a Cella a Combustibile (da M. Ronchetti, A. Iacobazzi: Celle a Combustibile. Stato di sviluppo e prospettive della tecnologia ; Enea 2002, [6] pag. 9) 70

3 reazioni catalitiche esotermiche di cella: le molecole gassose di ossigeno ed idrogeno sono trasformate in acqua o vapore acqueo contemporaneamente allo sviluppo di una corrente elettrica continua al catodo e alla generazione di calore. L elettrolita costituisce semplicemente il mezzo nel quale avviene la migrazione ionica, da un elettrodo all altro, ma è molto importante in quanto condiziona numerosi parametri operativi tra cui la temperatura, il tipo di ioni, i gas reagenti; le celle, per questo motivo, sono classificate in base all elettrolita (Figura 3). Tra le principali, quelle funzionanti a basse temperature, tra 70 e 220 C, caratterizzate da rendimenti compresi tra il 40 ed il 48%, utilizzano come elettrolita una membrana polimerica (tipo Pefc - Polymer Electrolyte Fuel Cell, l elettrolita è una membrana polimerica ad elevata conducibilità protonica), piuttosto che acido fosforico (tipo Pafc), ed erogano potenze di qualche centinaio di kw che le rendono ideali per l utilizzo nel settore residenziale e terziario. Le celle operanti ad alte temperature, tra 600 e C, mostrano rendimenti più elevati (anche oltre il 60%), utilizzano come elettrolita carbonato di litio e potassio (tipo Mcfc - Molten Carbonate Fuel Cell, l elettrolita è una soluzione di carbonati alcalini fusa), o ossido di zirconio drogato (tipo Sofc - Solide Oxide Fuel Cell, l elettrolita è di materiale ceramico, ossido di zirconio drogato con ossido di ittrio), e forniscono potenze elettriche fino ad alcuni MW che le rendono idonee anche nel settore industriale. L inconveniente legato alla difficile reperibilità (assenza di una rete distributiva) e alla problematicità dello stoccaggio dell idrogeno gassoso, viene comunemente superato con la scelta di utilizzare gas naturale, solitamente il metano della rete urbana, da cui, solo successivamente, mediante pretrattamenti e reforming si ottiene l idrogeno. Il gas metano derivato dalla rete subisce inizialmente un trattamento di desolforazione per eliminare i composti dello zolfo, aggiunti artificialmente, ai fini della sicurezza, come agenti odoranti. Il gas desolforato, miscelato con vapore surriscaldato, viene sottoposto a reforming ottenendo un gas ricco di idrogeno, in cui sono presenti tracce di anidride carbonica e di monossido di carbonio, entrambi estremamente nocivi per l integrità della cella. Questa miscela deve essere così condotta in sequenza in un reattore di shift ed in uno di ossidazione selettiva consentendo la trasformazione della quasi totalità delle molecole di monossido di carbonio ancora presenti, in idrogeno e biossido di carbonio con residui di CO inferiori ai 10 ppm tollerabili nella cella (valore tra l altro coincidente con il limite imposto dalla normativa Scaqmd (South Coast Air Quality Management District) della California Meridionale, una delle più restrittive a livello mondiale). Il gas ricco di idrogeno ottenuto successivamente a questo pretrattamento, è quindi condotto nella cella a combustibile dove ha luogo la reazione elettrochimica che origina la corrente elettrica continua, successivamente trasformata in corrente alternata per mezzo di un inverter. L energia termica generata in cascame dalle reazioni esotermiche di cella può essere in parte deputata alla produzione del vapore surriscaldato necessario nella fase di steam reforming o autothermal reforming, in parte direttamente ceduta, mediante scambiatori, ai circuiti di riscaldamento e acqua sanitaria, in parte eventualmente utilizzata in macchine ad assorbimento per generare energia frigorifera. Figura 5 - Emissioni degli impianti a Cella a Combustibile più diffusi, PC25 di tipo Pafc comparate con gli standards più restrittivi, quelli dello Scaqmd (da M. Ronchetti, A. Iacobazzi: Celle a Combustibile. Stato di sviluppo e prospettive della tecnologia ; Enea 2002 [6] pag. 11) Rendimenti energetici ed emissioni delle celle a combustibile Nel 1997 una quota preponderante del sistema elettrico italiano dipendeva dall utilizzo del petrolio come fonte energetica primaria [5]. Nelle centrali termoelettriche l energia chimica del petrolio viene inizialmente trasformata in energia termica, quindi nell energia meccanica necessaria ad azionare l alternatore. Normalmente soltanto il 45% dell energia chimica posseduta dal petrolio raffinato che arriva in centrale è trasformata in energia elettrica, il restante 55%, mutato in energia termica ad entalpia più bassa, rimane per lo più inutilizzato. Qualora poi si tenessero in considerazione anche i processi di estrazione e raffinazione del petrolio, tale rendimento calerebbe ulteriormente. Un ulteriore perdita discende dalla necessità di trasferire l energia elettrica prodotta in centrale alle singole utenze dislocate nel territorio percorrendo anche notevoli distanze attraverso linee ad alta tensione (indispensabile per ridurre al minimo la intensità di corrente e contenere le perdite per effetto Joule). La vettorializzazione dell energia elettrica e le successive trasformazioni del suo voltaggio su linee a media e bassa tensione sono causa di ulteriori perdite stimabili Figura 6 - Analisi estrapolate dal progetto Vision 21 condotto dal Doe sulle previsioni di evoluzione delle Celle a Combustibile nel ventunesimo secolo, in termini di riduzione dei costi e di miglioramento dei rendimenti (da M. Ronchetti, A. Iacobazzi: Celle a Combustibile. Stato di sviluppo e prospettive della tecnologia ; Enea 2002 [6] pag. 13) 71

4 Figura 7 - Schema operativo di una Fuel Cell ad elettrolita ad acido fosforico, tipo Pafc, (Fuel Cell PC25C (dal sito in una percentuale non inferiore al 15%. Al contatore dell utente giunge quindi soltanto il 38% (0,85*45%) dell energia chimica che il petrolio possedeva prima delle trasformazioni mediante cicli di potenza delle centrali termoelettriche. L autoproduzione in situ dell energia elettrica consente di evitare le perdite legate alla sua vettorializzazione e conferisce agli impianti a fuel cells un importante vantaggio nei confronti di tutte le altre tecnologie in cui la produzione di elettricità resta centralizzata. Le sostanziali differenze nei processi di produzione e trasformazione energetica esistenti tra gli impianti a fuel cells e gli altri sistemi convenzionali, consente ai primi di esprimere rendimenti teoricamente superiori al 90%. Questi ultimi si mantengono su valori estremamente significativi anche in condizioni operative reali: il rendimento complessivo della trasformazione dell energia chimica del combustibile (metano) nell energia elettrica in uscita dalla cella a combustibile può in prima approssimazione essere assunto pari al prodotto dei rendimenti del reforming (80%) e dei processi di cella (65%) per un complessivo 52% (0,80*0,65*100%) [5]. La corrente continua in uscita dalla cella, è poi trasformata in corrente alternata per mezzo di un inverter al fine di risultare compatibile con i dispositivi elettrici dell utenza finale o di essere ceduta alla rete Figura 8 - Confronto tra i fabbisogni elettrici integrali mensili effettivi dell ospedale e la produzione di energia elettrica garantita da un impianto a quattro celle a combustibile di tipo PC 25 elettrica esterna. Il rendimento di questo ultimo processo si attesta su valori anche molto superiori al 90%. Oltre 200 impianti Pafc del modello PC25 della Utc Fuel Cells (ex Ifc) (Usa) (Figura 7) sono in esercizio ormai da alcuni anni in tutto il mondo; venti sono installati in Europa. Uno di questi dispositivi fornisce dal 2001 luce e calore al Museo della Scienza e delle Tecnica Leonardo da Vinci di Milano [2]. Per queste celle all acido fosforico, oggi le più diffuse, esiste una ricca letteratura fondata su osservazioni effettuate da anni, sia in laboratorio sia in sede di esercizio. Il rendimento elettrico medio osservato si attesta sul 40% [6] ed è decisamente superiore a quello di impianti a cogenerazione convenzionali di taglia equivalente (non molto superiore al 30%). Adottare tale rendimento come riferimento per le simulazioni effettuate e presentate in questa memoria, procedura operativa analoga a quella seguita nell ambito delle indagini del progetto di ricerca europeo ExternE, costituisce una scelta cautelativa: alcuni più recenti impianti a fuel cell mostrano infatti rendimenti decisamente più elevati. La sostanziale indipendenza del processo di produzione energetica di cella dal tradizionale ciclo di potenza, normalmente alimentato con la combustione di una fonte energetica fossile, azzera le emissioni inquinanti ad esso asso- Figura 9 - Confronto tra i fabbisogni frigoriferi integrali mensili effettivi dell ospedale rispetto a quelli ottenuti grazie ai ricuperi termici da un impianto a quattro celle a combustibile di tipo PC 25 utilizzati in un motore ad assorbimento a bromuro di litio Figura 10 - Confronto tra i fabbisogni termici integrali mensili dell ospedale e l energia termica ottenibile grazie ai ricuperi termici da un impianto a quattro celle a combustibile di tipo PC 25 72

5 Figura 11 - Energia necessaria al soddisfacimento di fabbisogni elettrici e termici: confronto tra una configurazione impiantistica convenzionale e una a ibrida a quattro celle a combustibile di tipo PC 25 ciate, come NO x, CO e particolato (Figura 4). La presenza di SO x è poi del tutto trascurabile essendo stato desolforato il combustibile precedentemente all ingresso nella cella. L unica combustione ha eventualmente luogo durante il processo di reforming, quando questo si rende necessario per trasformare il metano prelevato dalla rete in idrogeno. La CO 2 così prodotta è in ogni caso molto inferiore, a parità di kw di output elettrico realizzato, rispetto a quella delle comuni macchine cogenerative a ciclo di potenza. Dal rapporto Enea del febbraio 2002 si evince che l utilizzazione di una cella del già citato tipo PC25, anziché di un motore a gas di potenzialità analoga, comporta minori emissioni inquinanti di CO 2 nell ordine di circa t/anno considerando un utilizzo annuo di ore. Per tutti questi motivi, le emissioni riscontrate mediamente nelle PC25, sono quasi di un ordine di grandezza inferiori anche rispetto agli standards più restrittivi, le già citate normative dello Scaqmd (Figura 5). La rumorosità di queste celle è infine decisamente ridotta (in quelle all acido fosforico, normalmente meno di 60 db a meno di 10 m di distanza senza isolamento); tale caratteristica ne rende particolarmente vantaggioso l impiego in Figura 12 - Consumi di metano necessari al soddisfacimento di fabbisogni elettrici e termici: confronto tra una configurazione impiantistica convenzionale e una a ibrida a quattro celle a combustibile di tipo PC 25 strutture come gli ospedali. Tutte queste qualità associano all operatività delle celle a combustibile un impatto ambientale decisamente contenuto e caratteristiche di straordinaria efficienza e duttilità che rendendo auspicabile un loro utilizzo diffuso in tutti i settori. L interesse mostrato da tutte le principali società mondiali di energia verso lo sviluppo e la diffusione di questa tecnologia pulita, insieme all attenzione e agli sforzi ad incentivarne l uso degli enti energetici nazionali ed internazionali, confermano l importanza e il ruolo leader del vettore energetico idrogeno nello scenario economico futuro. Indipendentemente dalle analisi di mercato, tutte concordi nell evidenziare forti penetrazioni a brevissimo termine di queste tecnologie non solo nel settore industriale ma anche residenziale, la prova più significativa che una rivoluzione energetica è probabilmente alle porte traspare dal progetto Vision 21 condotto da Doe (Department of Energy) e da Netl (National Energy Technology Laboratory). Esso si pone l obiettivo di disporre entro il 2015 di sistemi di generazione energetica che, utilizzando combustibili fossili come il gas naturale (quindi senza riconvertire il parco impiantistico esistente), garantiscano un impatto ambientale Figura 13 - Confronto tra le emissioni di CO 2 associate al impianto ibrido celle a combustibile - allacciamento a rete Figura 14 - Confronto tra le emissioni di NOx associate al impianto ibrido celle a combustibile - allacciamento a rete 73

6 Figura 15 - Confronto tra le emissioni di SO 2 associate al impianto ibrido celle a combustibile - allacciamento a rete molto contenuto; il medesimo progetto, inoltre, persegue la ricerca di celle a combustibile di nuova generazione caratterizzate da rendimenti superiori allo 80%, emissioni nocive estremamente ridotte e costi di produzione al kw concorrenziali (Figura 6). Confronto tra una configurazione impiantistica convenzionale ed una ibrida con impianto a celle a combustibile Per valutare i fabbisogni di energia elettrica dell ospedale sono stati ripresi i risultati di una recente analisi sui consumi elettrici degli ospedali della provincia di Ferrara [3] estendendone la validità anche all ospedale preso in considerazione in questa sede del quale erano note le fatturazioni dei consumi di energia elettrica dell Enel relative all anno I fabbisogni integrali mensili termici e frigoriferi sono stati valutati, una volta realizzato un modello in formato digitale dell ospedale (Figura 18) e specificata la Figura 16 - Confronto tra le emissioni di polveri associate al impianto ibrido celle a combustibile - allacciamento a rete latitudine geografica presso la quale sorge l edificio, utilizzando sia un codice di calcolo Hvac-Cad della Mc4 Software, sia un programma appositamente realizzato per questo fine. I fenomeni di scambio termico in regime transitorio sono stati investigati con l ausilio del codice di calcolo Hvac-Cad della Mc4 Software realizzato sulla base delle funzioni di trasferimento sviluppate dalla Ashrae. I fabbisogni termici orari in regime transitorio, con esso determinati, sono funzioni di parametri climatici (temperature a bulbo secco ed umidità relativa outdoor e indoor, queste ultime correlate con le attività caratteristiche dei vari reparti ospedalieri), meteorologici (come l irraggiamento), e di proprietà fisiche delle strutture scambianti (come il coefficiente globale di scambio termico e la capacità termica dei vari elementi strutturali). Nel contempo, i fabbisogni termici sono stati calcolati anche in regime stazionario con un apposito codice di calcolo considerando la potenza termica di trasmissione ora per ora come prodotto della differenza di temperatura tra gli ambienti interni e l esterno (o il terreno), del coefficiente globale di scambio termico associato ad ogni tipologia di elemento scambiante, delle superfici degli elementi stessi interessate dagli scambi termici e di un coefficiente di sicurezza di 1.1 per considerare le differenti esposizioni. Noto l evolversi ora per ora della potenza associata alla dispersione termica nel giorno tipo di ogni mese, sono stati calcolati dapprima i fabbisogni giornalieri, quindi quelli integrali mensili. Per la valutazione dei fabbisogni invernali ed estivi relativi alla sola ventilazione degli ambienti, si è ipotizzato di garantire due ricambi in ogni locale dell ospedale con aria in condizioni neutre. Nonostante la normativa vigente, il Dpr , imponga anche oltre 15 ricambi ora in ambienti caratterizzati da particolari destinazioni d uso quali le sale operatorie, la stessa non prevede l obbligo di servire con ventilazione molti reparti tra cui quelli adibiti a degenza. Di conseguenza un tale valore medio indicativo di 2 ricambi/ora appare nel complesso a favore di sicurezza non discostandosi troppo, tra l altro, dai valori ritenuti auspicabili per gli ospedali secondo le normative Uni ed Uni En 832. I valori dei fabbisogni termici corrispondenti alle stesse mensilità determinati seguendo le due procedure alternative, sono stati messi a confronto tra loro, costituendo così tante coppie. Mese per mese si è adottato come fabbisogno termico dell ospedale, quello tra i due che aveva il modulo maggiore. Noti, attraverso le procedure appena descritte, i fabbisogni energetici mensili relativi alla configurazione impiantistica convenzionale, si è giunti alla stima dei corrispondenti valori nell ambito di una configurazione impiantistica di tipo ibrido ipotizzando la operatività di un impianto a quattro celle a combustibile modello PC25 di tipo Pafc. Ciascuno di questi quattro dispositivi [1] è in grado di fornire, a pieno regime, una potenza elettrica di 200 kw, utilizzando gas naturale a pressione di rete (10-35 mbar). Il rendimento medio elettrico osservato in questi impianti si attesta al 40% per un funzionamento di ore annue (19,18 ore in media al giorno). Utilizzando il cascame di energia termica ottenuto dai vari processi, è possibile recuperare da ogni cella mediamente oltre 220 kw termici in termini di acqua a 37 C, oppure 120 kw termici optando per acqua a 60 C o ancora circa 90 kw come vapore a 120 C. Il massimo calore re- 74

7 cuperabile dall impianto è di kcal termiche ogni ora. Si è ipotizzato di sfruttare nella stagione estiva questa energia termica a bassa entalpia, prodotta nella cella e non riutilizzata nella fase di preprocesso del metano, per produrre energia frigorifera da destinare al condizionamento degli ambienti utilizzando una macchina ad assorbimento al bromuro di litio (il cui assorbimento di energia elettrica è fra l altro, del tutto trascurabile [3]). Per quest ultima si sono adottati i dati tecnici dei modelli più diffusi, disponibili sul mercato. Posto nella simulazione che l impianto installato presso l ospedale in esame avesse le caratteristiche tecniche precedentemente sintetizzate e fosse in grado di fornire prestazioni compatibili con quelle mediamente osservate in questi anni durante l esercizio delle celle Pafc, si è determinata la quantità di energia elettrica e di energia termica producibile ogni mese con le quattro celle. Il confronto con i fabbisogni energetici dell ospedale calcolati in riferimento alla configurazione impiantistica di tipo convenzionale, caratteristica dello stato di fatto, ha suggerito le seguenti considerazioni. Le quattro celle a combustibile garantirebbero energia sufficiente per soddisfare ben oltre il 90% del fabbisogno elettrico durante l intero anno ad eccezione che nella stagione estiva durante la quale esse continuerebbero comunque a soddisfare sempre non meno del 70% dei fabbisogni (Figura 8); complessivamente in un anno sarebbero necessarie integrazioni di energia elettrica dalla rete per kwh (rispetto ad un fabbisogno stimato annuo di oltre kwh). Si è in altra sede simulato la presenza una quinta cella a combustibile: in questo caso le esigenze dell ospedale sarebbero ampliamente soddisfatte in tutti i mesi ad eccezione di giugno, luglio ed agosto durante i quali sarebbe comunque necessario acquistare dall Enel complessivamente kwh; il compendio effettuato su un periodo pari a un intero anno prevederebbe però una sovrapproduzione di oltre kwh da cedere alla rete; questo surplus rende tale ipotesi meno interessante in quanto dal punto di vista economico la scelta di produrre energia elettrica, anche costituendo nella congiuntura momentanea un guadagno, non appare essere necessariamente vantaggiosa in futuro. Utilizzando i ricuperi termici ad entalpia più alta (120 C) delle celle sarebbe possibile soddisfare completamente i fabbisogni frigoriferi in maggio, ridurli in giugno e settembre dei due terzi, in luglio ed agosto di quasi il 40% (Figura 9); in ogni caso lo sfruttamento dell energia frigorifera prodotta avvalendosi dei ricuperi termici, comporterebbe un minore utilizzo dei gruppi frigorigeni a compressione convenzionali e un conseguente significativo decremento dei fabbisogni elettrici associati al loro funzionamento. Nel periodo freddo, da ottobre ad aprile, sfruttando l energia termica in cascame si potrebbero ridurre del 40% i fabbisogni termici (Figura 10); il fabbisogno termico residuo sarebbe comunque fornito da caldaie ad alta efficienza [5] (il cui rendimento è stato assunto pari allo 85%). Considerando i fabbisogni energetici nel loro complesso, l energia mensilmente necessaria a soddisfare i fabbisogni elettrici e termici dell ospedale è stata calcolata (in tep) nelle due seguenti ipotesi impiantistiche: configurazione impiantistica convenzionale : - energia elettrica acquistata dalla rete e prodotta in centrali termoelettriche; Figura 17 - Confronto tra le emissioni di idrocarburi associate al impianto ibrido celle a combustibile - allacciamento a rete. - energia termica interamente fornita da caldaie a metano ad alta efficienza funzionanti a metano; impianto ibrido: - energia elettrica prodotta con 4 celle a combustibile Pafc aventi le caratteristiche precedentemente illustrate; - energia elettrica in difetto acquistata dalla rete e prodotta in centrali termoelettriche; - energia termica parzialmente ricuperata per cogenerazione dall energia a bassa entalpia di scarto delle celle a combustibile; - energia termica in difetto fornita da caldaie a metano ad alta efficienza. Come si evince dal grafico di Figura 11, il risparmio energetico ottenibile adottando la seconda ipotesi sarebbe davvero significativo: mediamente quasi 35 tep ogni mese per un totale di 424 tep in un anno. Tale risultato incoraggiante sarebbe raggiungibile sia grazie agli alti rendimenti caratteristici degli impianti della seconda configurazione ibrida, sia grazie alla scelta di privilegiare la cogenerazione localizzata a scapito dell acquisto di energia elettrica verosimilmente prodotta in centrali termoelettriche. Qualora si tenessero in considerazione anche i processi di estrazione e raffinazione del petrolio, preliminari alle trasformazioni in centrale termoelettrica, il risparmio in termi- Figura 18 - Visione assonometria del modello dell ospedale scelto come campione per le analisi energetiche realizzate con un software Hvac-Cad 75

8 ni di energia primaria sarebbe ancora più significativo (1.050 tep in un anno). Se si esaminano i consumi del solo metano, la scelta di un impianto ibrido comporterebbe ovviamente fabbisogni più elevati (annualmente oltre normalm 3 Figura 12) avendo delegato la produzione della quasi totalità della energia elettrica alle celle a combustibile, alimentate proprio con questo gas. Limitandosi alla sola produzione dell energia elettrica, l utilizzo simultaneo delle quattro celle a combustibile ed il contestuale acquisto dell energia in deficit dalla rete consentirebbe, rispetto alla situazione di totale dipendenza da quest ultima, una drastica riduzione delle emissioni di CO 2 (Figura 13). Infatti se 1 kwh di energia elettrica utilizzata dall utente proveniente da una centrale termoelettrica implica emissioni per 0,7 Kg di CO 2 (dati Enel) [7], nelle celle a combustibile Pafc tale valore scende a 0,19 kg di CO 2 (per le celle PC25). L operatività di ciascuna cella, nell ambito di una configurazione di impianto ibrida, ipotizzando un funzionamento annuo di ore, comporterebbe minori emissioni per 714 t/anno non molto inferiori dalle t/anno indicate nel rapporto Enea relativamente però ad un impianto esclusivamente a celle a combustibile. L adozione di un impianto ibrido, limitatamente al soddisfacimento dei fabbisogni elettrici, comporterebbe apprezzabili decrementi delle emissioni non solo di CO 2, ma anche di NOx (Figura 14), SO 2 (Figura 15), polveri (Figura 16), ed idrocarburi (Figura 17), ed un sostanziale azzeramento di quelle di CO. Supponendo poi di soddisfare anche i fabbisogni termici, limitando così l esercizio delle caldaie grazie allo sfruttamento della energia termica in cascame dai processi di cella, la riduzione delle emissioni risulterebbe ancora più significativa. Conclusioni Le ricorrenti emergenze ambientali e il maturare di una coscienza ecologica costituiscono uno stimolo sempre crescente alla ricerca e allo sviluppo di tecnologie caratterizzate da elevati rendimenti ed emissioni inquinanti ridotte. Poiché resta utopia ritenere che gran parte del fabbisogno energetico mondiale possa essere soddisfatto ricorrendo alle sole fonti rinnovabili prescindendo dall energia nucleare, la riconversione energetica dal petrolio all idrogeno appare essere l unica altra strada percorribile. Le celle a combustibile, per la ormai consolidata maturità raggiunta dalla tecnologia, sono ormai pronte a divenire lo strumento principale per poter affrontare lo sviluppo dei prossimi anni preservando l ambiente. Un impianto a fuel cells è infatti in grado di produrre energia con continuità indipendentemente dalle condizioni meteorologiche esterne (a cui invece sono vincolate quasi tutte le tecnologie pulite che sfruttano energie rinnovabili). In questa memoria si è così mostrato come l adozione capillare di questi impianti comporterebbe notevolissimi vantaggi sia economici che ambientali soprattutto se nello scenario energetico del futuro si decidesse si adottare l idrogeno (o il gas naturale) come vettore energetico preferenziale. Nelle celle le eventuali emissioni sono limitate alla sola anidride carbonica e, grazie agli elevati rendimenti, a parità di potenza elettrica prodotta, comunque molto ridotte se poste a confronto con quelle originate da equivalenti macchine di potenza a tecnologia tradizionale. Individuata in quattro celle la dimensione di impianto più idonea a soddisfare convenientemente i fabbisogni elettrici dell ospedale scelto per questa analisi, si è mostrato come la operatività di tale impianto garantirebbe a questa struttura sanitaria una notevole razionalizzazione dei consumi elettrici e, in cascame energetico, dei consumi termici e frigoriferi. Non avendo voluto soffermarsi sulla analisi economica, troppo legata alle congiunture economica e legislativa, si è invece scelto di evidenziare come la configurazione impiantistica ibrida a celle a combustibile riduca drasticamente il fabbisogno di energia primaria necessaria a soddisfare i fabbisogni energetici. Contestualmente, si sono mostrate le davvero significative riduzioni delle emissioni inquinanti associabili a questo seppur parziale intervento di conversione energetica all idrogeno delle celle a combustibile. Il fatto che questo tipo di tecnologia sia ancora estremamente costosa ha probabilmente costituito, fino ad ora, l ostacolo principale al suo sviluppo capillare. In presenza di adeguati incentivi finanziari e, come sembra suggeriscano gli ultimi sviluppi della ricerca industriale, di significativi abbassamenti dei costi di produzione della tecnologia, l adozione di impianti a celle a combustibile si rivelerebbe quindi non solo un buon investimento economico, ma anche una oculata scelta in termini di rispetto dell ambiente e di risparmio energetico per tutte quelle strutture che, analogamente agli ospedali, sono caratterizzate da consumi energetici significativi. Le immagini delle Figure 1, 2, 3, 4, 5, 6 sono state gentilmente concesse da Enea, Grande Progetto Idrogeno e Celle a Combustibile. L immagine della figura 6 appartiene a US Department of Energy ed è tratta dal sito web: La immagine della figura 7 è stata gentilmente concessa dall Ansaldo Fuel Cells ed è tratta dal sito web: Questa ricerca è stata finanziata dall azienda Usl di Ferrara. Bibliografia [1] Sito Ansaldo Ricerche ari. htm, Phosphoric Acid Fuel Cell (Pafc) - The PC 25 Power Plant. [2] Davide Canevari, Cella a combustibile per illuminare il museo; Il giornale dell ingegnere; ottobre [3] Giacomo Bizzarri, Indagine sui fabbisogni di energia elettrica in alcune strutture ospedaliere della provincia di Ferrara, Tecnica Ospedaliera, settembre [4] Mario Silvestri, Il futuro dell energia, Bollati Berlinghieri Editore [5] Mario Palazzetti, Maurizio Pallante, L uso razionale dell energia, Bollati Berlinghieri Editore [6] Marina Ronchetti, Agostino Iacobazzi, Celle a Combustibile. Stato di sviluppo e prospettive della tecnologia, Pubblicazioni Enea [7] Libro Bianco per la valorizzazione energetica delle Fonti Rinnovabili

9 [8] E. Cardona, S. Culotta, A. Piacentino, Impianti di trigenerazione in alberghi di piccola e media taglia, La Termotecnica, aprile [9] B. Bongiovanni, Il ruolo dell Energy Managrer, Tecnica Ospedaliera, marzo 1999, pag [10] G. Barbini, S. Capolongo, Un manager per il risparmio energetico, Tecnica Ospedaliera, maggio [11] L. Barra, Il libro bianco per la valorizzazione energetica delle fonti rinnovabili, La Termotecnica, anno LIV, n. 1, gennaio-febbraio 2000, pag [12] H. Hens, G. Verbeeck, B. Verdonck, Impact of energy efficiency measures on the CO 2 emissions in the residential sector, a large scale analysis, Energy and buildings, volume 33, issue 3, february 2001, pag [13] G. Mihalakakou, M. Santamouris, A. Tsangrassoulis, On the energy consumption in residential buildings, Energy and buildings, volume 34, issue 6, august 2002, pag [14] L. Cedola, G. Di Stasio, L evoluzione del mercato elettrico europeo ed italiano, La Termotecnica, anno LIV, n. 7, settembre 2000, pag [15] C. Caputo di Calvisi, La rivoluzione dell idrogeno, La Termotecnica, anno LIV, n. 8, ottobre 2000, pag [16] S. Allegri, G.B. Zorzoli, Analisi e prospettive del mercato e dei certificati verdi, La Termotecnica, anno LIV, n. 8, ottobre 2000, pag [17] R. Vigotti, F. Trezza, Village Power. Risorse rinnovabili associate a sistemi d accumulo e generatori, La Termotecnica, luglio-agosto [18] Corrado Clini, Il protocollo di Kyoto. Un punto di partenza verso la protezione del clima, La Termotecnica, giugno [19] Carmelo Caputo di Calvisi, Celle a combustibile: alimentazione catodica con elettrolita polimerico per autotrazione, La Termotecnica, maggio [20] F. Velonà, Dal petrolio al gas naturale. Nuovi assetti e linee di sviluppo nel settore dell energia, La Termotecnica, gennaio-febbraio [21] G.G. Maidment, R.M. Tozer, Combined cooling heat and power in supermarkets, Applied Thermal Engineering, volume 22, issue 6, april 2002, pag [22] J. Luz-Silvera, A. Beyene, E.M. Leal, J.A. Santana, D. Okada, Thermoeconomic analysis of a cogeneraton system of a university campus, Applied Thermal Engineering, volume 22, issue 13, september 2002, pag [23] M. Falcitelli, S. Pasini, N.Rossi, L.Tognotti, CFD+reactor network analysis: an integrated methodology for the modeling and optimisation of industrial system for energy saving and pollution reduction, Applied Thermal Engineering, volume 22, issue 8, june 2002, pag [24] M.H.A. Costa, J.A:P. Balestrieri, Comparative study of cogeneration system in a chemical industry, Applied Thermal Engineering, volume 21, issue 4, march 2001, pag