Dimostrazione della prima cella a combustibile al mondo di dimensioni industriali a ossido solido e alimentata a biogas
Una cella a combustibile consiste in un generatore elettrochimico alimentato dalla reazione chimica tra un combustibile e un agente ossidante (solitamente ossigeno). Questa reazione è diversa dalla combustione, poiché il prodotto finale è elettricità anziché calore e gas di scarico. I vari tipi di celle a combustibile prendono il nome in base al loro materiale elettrolita: Ad esempio, la comune cella a combustibile a idrogeno utilizza un elettrolita polimerico che deriva dal teflon. Una cella a combustibile a ossido solido (SOFC, Solid Oxide Fuel Cell) impiega un elettrolita costituito da un ossido solido (meglio noto come ceramica). SOFCOM, un precedente progetto finanziato dall’UE, ha sviluppato un sistema di poligenerazione basato sulle celle a combustibile a ossido solido. Il generatore era alimentato da combustibile a biogas ottenuto dal trattamento di acque reflue. Il sistema era in grado di funzionare attraverso una configurazione di raffreddamento, riscaldamento ed energia elettrica (CHP, Cooling, Heating and Power), il che significa che poteva recuperare proficuamente il calore residuo, con un completo recupero della CO2 proveniente dall’impianto (carbonio accumulato sotto forma di microalghe). Come tutte le celle a combustibile a ossido solido, il sistema SOFCOM funzionava a temperature molto elevate, ottenendo una conversione elettrica efficiente. Il generatore SOFCOM era un prototipo di prova di concetto su piccola scala e, considerate le emissioni e l’efficienza, si trattava del sistema migliore al mondo nella classe dei sub-megawatt.
Prima dimostrazione su larga scala
Il progetto DEMOSOFC, finanziato dall’UE, ha applicato, analizzato e migliorato la tecnologia di SOFCOM, conducendo una dimostrazione su vasta scala presso un impianto di trattamento di acque reflue nelle vicinanze di Torino. Come l’originale, anche la versione dimostrativa è stata alimentata utilizzando un biogas neutro in termini di emissioni di carbonio, ottenuto dalla scomposizione di componenti organici derivati dalla bonifica di acque reflue municipali. L’impianto di DEMOSOFC è stata la prima dimostrazione al mondo di un grande sistema di celle a combustibile a ossido solido (oltre a 100 kW) alimentato a biogas. «Abbiamo progettato, installato da zero, gestito e manutenuto un impianto di raffreddamento, riscaldamento ed energia elettrica completo basato su celle a combustibile a ossido solido alimentato a biogas», spiega il professor Massimo Santarelli, coordinatore del progetto. «L’impianto produce 110 kilowatt di elettricità e 45 kilowatt di potenza termica». Si tratta di quantità sufficienti per alimentare diverse abitazioni o uffici. La potenza erogata è stata leggermente inferiore rispetto ai 174 kW previsti, in quanto il progetto ha ricevuto solo due dei tre moduli di celle a combustibile a ossido solido previsti dal fornitore.
Funzionamento efficiente e pulito
Circa tre anni di funzionamento e test in condizioni reali hanno dimostrato che per l’80 % del tempo di funzionamento, l’impianto raggiungeva un’efficienza superiore al 50 % per la conversione elettrica da biogas a corrente alternata, con un picco del 58 %. Per circa la metà del tempo di funzionamento, l’efficienza globale era dell’80-90 %, mentre le emissioni atmosferiche, se presenti, erano inferiori alla soglia di rilevamento degli strumenti. I risultati provano l’efficacia dei costi e la fattibilità dell’impianto dimostrativo. «Ora abbiamo sviluppato una conoscenza completa di come progettare e installare un impianto basato su celle a combustibile a ossido solido per applicazioni industriali, riducendo al minimo i costi correlati», aggiunge Santarelli. «Conosciamo inoltre appieno il suo funzionamento quotidiano, inclusa la logistica di controllo e le procedure di sicurezza». Questi risultati saranno applicabili al futuro funzionamento di impianti simili. Un secondo risultato è stata la dimostrazione di successo del progetto di un’unità di pulizia del biogas, che impedisce a contaminanti nocivi di raggiungere la cella a combustibile. In seguito al progetto, i membri del team hanno discusso con diversi importanti utenti finali, per replicare l’impianto di DEMOSOFC. Solo limitando l’applicazione all’impianto di trattamento di acque reflue nell’UE, il potenziale di replicabilità è enorme (circa 2-5 GW). Ciò potrebbe rappresentare un interessante mercato iniziale, nonché un’introduzione a un’era di energia veramente pulita e verde.
Parole chiave
DEMOSOFC, SOFC, biogas, SOFCOM, elettricità, acque reflue, cella a combustibile a ossido solido, energia verde