Fonte eolica e vettore idrogeno per comunità isolate sostenibili: modellazione e analisi di un sistema integrato

Il lavoro tratta di uno studio di fattibilità relativo all’integrazione della fonte eolica insieme al vettore idrogeno per soddisfare un carico utenza in maniera totalmente indipendente dalla rete elettrica esterna (stand-alone) e completamente sostenibile, sia dal punto di vista energetico che ambientale.
La prima parte del lavoro prevede la costruzione di un anno-tipo di ventosità del sito prescelto, discretizzato in valori orari, sulla base di un’analisi statistica, chiamata metodo A.R.M.A., utilizzando un dato numero di valori medi orari degli anni precedenti, nel nostro caso gli ultimi 10 anni.
Il sistema integrato prevede l’utilizzo dei seguenti componenti principali:
• Turbina/e eolica
• Elettrolizzatore/i per la produzione di idrogeno
• Serbatoi di immagazzinamento dell’idrogeno in eccesso
• PEM Fuel Cells per la produzione di energia elettrica nel caso di vento insufficiente, con H2 immagazzinato
• Inverter, controller e convertitori elettrici per seguire l’andamento previsto dal sistema, in quanto i componenti lavorano in corrente continua mentre l’energia elettrica all’utenza viene fornita in corrente alternata al voltaggio nominale
• Batterie di accumulo di energia elettrica, con funzione di “cuscinetto”
• Ausiliari
L’elettrolizzatore è di tipo PEM ed è stato analizzato in base ad un prototipo sperimentale situato all’interno del Dipartimento di Ingegneria Energetica del Politecnico di Torino.
Sono state prese in considerazione diverse configurazioni, tra le quali la possibilità di mettere in parallelo più turbine eoliche della stessa tipologia.
Sono stati studiati due siti, entrambi in Olanda: la città di Eindhoven ed un caso Off-Shore. Come carico utenza è stata considerata una situazione-tipo utilizzando valori medi registrati nella provincia di Vercelli. Questi sono tutti vettori di input e possono essere sostituiti con i valori desiderati per qualsiasi situazione, con il solo vincolo di rispettare le poche condizioni di formattazione digitale dei vettori.
I risultati vengono rilasciati da un programma di calcolo implementato in ambiente Matlab®, composto da due parti principali:
• Utilizzo della toolbox System Identification® per la costruzione dell’anno-tipo di ventosità del sito prescelto
• Programmazione di uno script primario che richiama diversi script secondari con all’interno i modelli dei componenti principali.
I risultati del programma sono principalmente i flussi di massa, i flussi di energia e le ore di lavoro dei componenti principali nelle configurazioni prese in esame. Considerando diversi parametri di progetto, è possibile valutare la soluzione migliore tra quelle proposte. Nel nostro caso, abbiamo considerati i seguenti parametri di scelta:
• Pieno soddisfacimento del carico utenza
• Minimo accumulo di idrogeno alla fine dell’anno di lavoro
• Minimo contenuto necessario di energia negli accumulatori
• Ore di funzionamento di elettrolizzatore e PEMFC
• Breve analisi economica sul costo dell’impianto
Per i dettagli fare riferimento all’elaborato.