Energia elettrica e calore prodotti in casa ad alta efficienza

La generazione distribuita

Con la crescente consapevolezza della precarietà indotta dalla dipendenza energetica dell’Italia e della necessità di razionalizzazione dell’uso energetico e del suo impatto ambientale, sono sempre più richieste soluzioni tecnologiche intelligenti per una infrastruttura energetica adeguata alle esigenze del domani. Uno dei fondamentali sviluppi in questo ambito è la produzione decentralizzata di energia da fonti locali, nota come la generazione distribuita.

Per l’uso domestico le due forme di energia più importanti sono elettricità e calore. Nelle due figure sottostanti sono messi a confronto il sistema di approvvigionamento energetico convenzionale (dove le richieste di elettricità e calore vengono soddisfatte tramite canali di produzione e distribuzione separate e centralizzate) e il sistema basato sulla cogenerazione distribuita. Producendo elettricità e calore sul posto (la micro-cogenerazione, o micro-CHP), si recuperano le grosse perdite di energia calorica dovute alla generazione centralizzata di elettricità, si evitano le perdite di trasmissione e l’efficienza netta sull’energia primaria utilizzata (in questo caso, gas naturale) aumenta notevolmente.

Una delle soluzioni più performanti in termini di efficienza netta e impatto ambientale per la cogenerazione a piccole taglie è senza dubbio la pila a combustibile, o le Fuel Cells: dispositivi elettrochimici che convertono il gas di rete direttamente in elettricità e calore, senza l’ausilio di processi di combustione o di parti in movimento.

Le Fuel Cells ad alta temperatura risultano fra i vari tipi possibili le più flessibili nell’utilizzo di una vasta gamma di combustibili, sia fossili che rinnovabili. Questo le rende anche le più indicate nella transizione da una infrastruttura energetica basata sulle prime ad una fondata su rinnovabili, ed in prospettiva sull’idrogeno. Alle loro temperature di esercizio (superiori a 600°C) le reazioni chimiche risultano maggiormente favorite, così non sono necessari costosi catalizzatori a fronte di un miglioramento delle prestazioni, e il calore prodotto nella generazione elettrica è di alta qualità.

Questo funzionamento consente di ottenere efficienze elettriche fino al 60%, e efficienze complessive (elettricità e calore) fino al 90% - valori impensabili per altre tecnologie a taglia residenziale (1-10 kW). In particolare, le Celle ad ossidi solidi (Solid Oxide Fuel Cells, o SOFC) sono costituiti unicamente da materiale ceramico e grazie a questo sono facilmente fabbricabili e dimensionabili alle taglie necessarie, e robuste nel trasporto e nell’orientamento.

Il forte potenziale di quest’applicazione sta nel fatto che sia l’elettricità che il calore necessari per una famiglia possano essere prodotti in casa da un unico vettore energetico, quale gas di rete, GPL o anche biogas. In questo modo l’utente finale diventa anche produttore. La configurazione di una simile “mini-centrale” elettrica in casa, dove l’elettricità prodotta va immessa in rete e il calore viene accumulato e utilizzato per riscaldamento ed acqua calda sanitaria, può essere come nella figura sottostante.

La ricerca in questo ambito si concentra sull’ottimizzazione delle prestazioni e dell’integrazione nel sistema, sullo sviluppo di SOFC sempre più resistenti sia ai possibili inquinanti presenti nei gas d’alimentazione, sia ai cicli di accensione e spegnimento, e sull’abbattimento dei costi di produzione aumentando contemporaneamente la vita utile della pila a combustibile.

L’ENEA svolge attività mirate all’ottenimento di questi obiettivi industriali, in stretta collaborazione con l’unica ditta italiana sviluppatrice di SOFC: la trentina SOFCpower. Queste attività comprendono sviluppo di materiali innovativi per rendere le celle più robuste, caratterizzazione delle prestazioni della pila in condizioni realistiche e indagini di carattere chimico ed elettrochimico.

Per ulteriori approfondimenti: http://www.sofcitalia.enea.it/