Un nuovo strumento rafforza la competitività del mercato delle celle a combustibile
Le celle a combustibile, che generano energia elettrica attraverso processi elettrochimici, rappresentano un’alternativa ecologica alle soluzioni basate sui combustibili fossili. Sebbene negli ultimi anni siano stati compiuti progressi significativi nella tecnologia delle celle a combustibile, questa promettente alternativa alla produzione di energia elettrica non ha ancora preso piede perché non riesce ancora a eguagliare l’accessibilità, la disponibilità e l’affidabilità delle soluzioni convenzionali. Il progetto RUBY(si apre in una nuova finestra), finanziato dall’UE, ha compiuto notevoli progressi nel modificare tale situazione. Una toolbox dedicata che include uno strumento di monitoraggio, diagnostica, prognostica e controllo (MDPC) utilizza un algoritmo di ottimizzazione in tempo reale (RTO) per il controllo e la spettroscopia di impedenza elettrochimica(si apre in una nuova finestra) (EIS), un metodo ampiamente riconosciuto per lo studio dei fenomeni che si verificano all’interno degli stack delle celle a combustibile, al fine di migliorarne l’efficienza e ridurne i costi.
Obiettivo: celle a combustibile stazionarie
Le celle a combustibile, che sono molto più ecologiche rispetto ai sistemi energetici alimentati da combustibili fossili, sono impiegate in molteplici contesti, tra cui i trasporti, la generazione di energia stazionaria e le applicazioni mobili. Quando si utilizza idrogeno puro come combustibile, gli stack di celle a combustibile, che in genere comprendono centinaia di celle, producono solo acqua e calore come sottoprodotti dell’energia elettrica generata. Due dei tipi di celle a combustibile tecnologicamente più avanzati sono le celle a combustibile a ossidi solidi (SOFC), che richiedono temperature elevate per funzionare, e le celle a combustibile a membrana a scambio protonico (PEMFC), che operano a temperature più basse. RUBY ha sviluppato strumenti per valutare entrambi i tipi di celle a combustibile in condizioni stazionarie.
MDPC, EIS e la soluzione RUBY
L’EIS si basa sul concetto di impedenza(si apre in una nuova finestra), una misura complessa della risposta di un materiale al flusso di corrente alternata. Nell’EIS, uno stimolo di corrente viene applicato a varie frequenze allo stack di celle a combustibile e vengono misurate le risposte di tensione risultanti. Queste misurazioni costituiscono lo spettro dei dati di impedenza a cui viene applicato lo strumento MDPC. Sebbene l’EIS sia lo standard industriale per l’analisi delle caratteristiche elettriche delle celle a combustibile, le innovazioni di RUBY renderanno questo approccio molto più praticabile. «L’EIS viene comunemente eseguita in ambienti di laboratorio utilizzando strumenti costosi, mentre RUBY ha dimostrato la possibilità di implementare l’EIS su sistemi di celle a combustibile operanti sul campo. L’approccio proposto apre la possibilità di fornire una soluzione efficace e a basso costo per i sistemi commerciali a celle a combustibile», afferma il coordinatore del progetto Cesare Pianese.
Campagne sperimentali che coinvolgono PEMFC e SOFC
RUBY ha verificato l’efficacia dello strumento MDPC su 110 spettri elettrochimici provenienti da sistemi PEMFC e 259 spettri provenienti da sistemi SOFC. I risultati sono stati impressionanti. Secondo Pianese: «L’algoritmo diagnostico basato sull’EIS ha rilevato il 100% delle condizioni difettose e isolato l’85% dei guasti verificatisi nel PEMFC, mentre per il SOFC è stato rilevato il 100% degli stati difettosi e isolato il 70% dei guasti.» Inoltre l’algoritmo di controllo RTO sviluppato dal progetto ha consentito un aumento del 5% dell’efficienza del sistema di cogenerazione basato su SOFC. «È opportuno sottolineare che questo miglioramento è stato ottenuto in una frazione del tempo e a una frazione del costo che sarebbero stati necessari per ottenere un aumento comparabile delle prestazioni attraverso un’innovazione significativa nei materiali o nella progettazione», osserva Pianese. La soluzione RUBY è conveniente e versatile. Lo strumento MDPC, basato sia sulla diagnostica EIS che sul controllo RTO, può essere applicato a qualsiasi dispositivo elettrochimico. Molti degli strumenti sviluppati nell’ambito del progetto sono disponibili al pubblico sul sito web del progetto. I progressi compiuti da RUBY hanno contribuito a rendere le celle a combustibile ecocompatibili molto più accessibili al mercato.
