CCHP ad idruri metallic

H. Meng et al. [169] hanno determinato teoricamente (tramite modello matematico specificamente elaborato) le prestazioni di un sistema CCHP ad idruri metallici23 (CCHP-IM) attivato termicamente tramite energia solare oppure in alternativa tramite cascame termico da processi industriali.

Nella Figura 3.7 [169] è rappresentato lo schema del sistema CCHP-IM associato a due distinti intervalli di tempo, che si susseguono alternativamente e sono denominati “Periodo utile” (PU, durante il quale il sistema fornisce all’utenza potenza elettrica, potenza termica e potenza frigorifera) e “Periodo di ricarica” (PR, durante il quale in assenza di fornitura di qualunque potenza all’utenza si ripristina il valore associato all’istante iniziale di PU della concentrazione di idrogeno nei serbatoi di stoccaggio degli idruri), in cui le frecce di colore viola rappresentano i flussi di potenza termica, quelle di colore verde i flussi di idrogeno: – Nei serbatoi per lo stoccaggio degli idruri metallici (MH1, MH2, MH3, MH4 di colore grigio) variano la

pressione, la temperatura e la concentrazione di idrogeno;

– Nei collettori solari e nel serbatoio di stoccaggio dell’acqua (ubicati centralmente) ha luogo la cessione di potenza termica dalla fonte energetica (rispettivamente radiazione solare e processi industriali) all’acqua; – Nei serbatoi di stoccaggio dell’acqua (n°2 unità di colore rosso sfumato ed aventi temperatura Tm1, n°2

unità di colore giallo ed aventi temperatura Tm2, n°1 unità di colore rosso ed avente temperatura Th, n°1 unità di colore blu ed avente temperatura Tl) la temperatura è costante nel tempo ed in particolare Th > Tm1 > Tm2 > Tl (ove Tm2 è pari alla temperatura ambiente). L’acqua contenuta nel rispettivo serbatoio di stoccaggio è in contatto termico con un singolo serbatoio di idruri tramite uno scambiatore di calore; – Ciclo Rankine ad acqua (ubicato centralmente) è costituito da generatore di vapore (E), turbina,

condensatore (C), pompa di circolazione (“Working fluid pump”) ed è attivato termicamente dagli idruri. Gli idruri MH1, MH2, MH3, MH4 subiscono le seguenti trasformazioni durante il periodo utile [169]:

– La fonte energetica cede potenza termica all’acqua nel serbatoio Tm1, quest’ultimo cede la potenza termica (Qm2) ad MH2 ove si determina l’aumento di temperatura e di pressione. Pertanto la pressione in 23 _{Un idruro metallico è una soluzione costituita da idrogeno (soluto) ed un metallo (solvente), quest’ultimo in grado di}

assorbire e desorbire idrogeno in maniera reversibile. L’assorbimento di idrogeno (idrogenazione) è un processo esotermico (ossia esso cede potenza termica all’esterno) invece il desorbimento o rilascio di idrogeno (deidrogenazione) è un processo endotermico (ossia esso assorbe potenza termica dall’esterno).

MH2 risulta maggiore rispetto alla pressione di MH1, di conseguenza si determina il flusso di idrogeno da MH2 ad MH1. In altre parole in MH2 ed in MH1 ha luogo rispettivamente la deidrogenazione e la idrogenazione. A seguito di quest’ultimo processo (esotermico) ha luogo la cessione della potenza termica (Qh) da MH1 all’acqua nel serbatoio Th. Quest’ultima fornisce potenza termica sia all’utenza sia all’acqua nel generatore di vapore (E) del ciclo Rankine;

– MH3 cede la potenza termica (Qm5) all’acqua nel serbatoio Tm2, quindi in MH3 si determina la diminuzione di temperatura e di pressione. Pertanto la pressione in MH3 risulta minore rispetto alla pressione di MH4, di conseguenza si determina il flusso di idrogeno da MH4 ad MH3. In altre parole in MH3 ed in MH4 ha luogo rispettivamente la idrogenazione e la deidrogenazione. A seguito di quest’ultimo processo (endotermico) ha luogo in MH4 l’assorbimento della potenza termica (Ql) ceduta dall’acqua nel serbatoio Tl, quest’ultimo fornisce potenza frigorifera sia all’utenza sia all’acqua nel condensatore del ciclo Rankine. Gli idruri MH1, MH2, MH3, MH4 subiscono le seguenti trasformazioni durante il periodo di ricarica [169]: – MH2 cede la potenza termica (Qm3) all’acqua nel serbatoio Tm2, quindi in MH2 si determina la diminuzione

di temperatura e di pressione. Pertanto la pressione in MH1 risulta maggiore rispetto alla pressione di MH2, di conseguenza si determina il flusso di idrogeno da MH1 ad MH2. In altre parole in MH2 ed in MH1 ha luogo rispettivamente la idrogenazione e la deidrogenazione. A seguito di quest’ultimo processo (endotermico) ha luogo la cessione della potenza termica (Qm1) dall’acqua nel serbatoio Tm1 ad MH1; – La fonte energetica cede potenza termica all’acqua nel serbatoio Tm1, a sua volta quest’ultimo cede la

potenza termica (Qm4) ad MH3, ove si determina l’aumento di temperatura e di pressione. Pertanto la pressione in MH3 risulta maggiore rispetto alla pressione di MH4, di conseguenza si determina il flusso di idrogeno da MH3 ad MH4. In altre parole in MH3 ed in MH4 ha luogo rispettivamente la deidrogenazione e la idrogenazione. A seguito di quest’ultimo processo (esotermico) ha luogo la cessione della potenza termica (Qm6) da MH4 all’acqua nel serbatoio Tm2.

La commutazione dal periodo utile a quello di ricarica e viceversa si ottiene agendo sugli idruri MH2 ed MH3: a) Il periodo PU ha luogo tramite riscaldamento di MH2 (a seguito dello scambio termico con l’acqua nel

serbatoio Tm1) e raffreddamento di MH3 (a seguito dello scambio termico con l’acqua nel serbatoio Tm2); b) Il periodo PR ha luogo tramite riscaldamento di MH3 (a seguito dello scambio termico con l’acqua nel

serbatoio Tm1) e raffreddamento di MH2 (a seguito dello scambio termico con l’acqua nel serbatoio Tm2).

Figura 3.7. CCHP-IM [169].

Al fine di evitare la fornitura all’utenza di potenza elettrica, potenza termica e potenza frigorifera in maniera intermittente (infatti tale fornitura ha luogo esclusivamente durante il periodo utile) è necessario adoperare una coppia di serbatoi per ciascuna tipologia di idruri (MH1, MH2, MH3, MH4). In tale modo il primo gruppo di serbatoi (MH1, MH2, MH3, MH4) si trova nelle condizioni associate al periodo utile e nello stesso tempo il secondo gruppo di serbatoi (MH1, MH2, MH3, MH4) si trova nelle condizioni associate al periodo di ricarica. Al termine di un singolo periodo utile accade che il primo gruppo di serbatoi si trova nelle condizioni iniziali del periodo di ricarica, il secondo gruppo in quelle iniziali del periodo di utile [169].