LOGICA GESTIONE

Per decidere ad ogni time step quanta potenza assegnare in ingresso all’elettrolizzatore e quanta potenza assegnare in input/output alla batteria, è stata definita una logica di gestione con lo scopo di minimizzare le perdite energetiche migliorando la ripartizione e la gestione dei flussi di energia tra i due dispositivi.

L’efficienza dell’elettrolizzatore risulta massima ad un livello di carico parziale [1], quindi spingere il punto di funzionamento verso il massimo può risultare gravoso, generando valori minori del rendimento. D’altra parte, utilizzare l’elettrolizzatore alla sua potenza minima, pari al 20% di quella nominale, potrebbe causare una produzione di idrogeno più bassa rispetto a quella ottenibile durante periodi di elevata generazione di energia eolica.

In quest’ottica, l’integrazione di un accumulo elettrochimico nel sistema può migliorare la gestione del flusso energetico, immagazzinando, nei momenti di massima produzione eolica, l’energia in surplus non utilizzata dall’elettrolizzatore e fornendo, nei momenti di scarsa ventosità, energia elettrica all’AEL per la produzione di idrogeno.

Il problema della degradazione della batteria pone dei limiti sulle soglie minime e massime dello stato di carica (SOC), rispettivamente pari al 20% e 100%, perché una scarica profonda della capacità della batteria ne riduce la vita utile, come scritto

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precedentemente. Quindi, per la gestione dei flussi di potenza ad ogni time step si è ritenuto opportuno considerare una strategia di controllo basata, oltre che sulla potenza prodotta dalla turbina in quel time step, sul valore dell’SOC della batteria, poiché essa assume un ruolo importante nella gestione e spegnimento dell’elettrolizzatore [15].

Nella logica di gestione vengono attribuite le potenze in ingresso all’elettrolizzatore e di carica/scarica della batteria. L’attribuzione delle potenze cambia a seconda della potenza prodotta dalla turbina e dello stato di carica della batteria. Sono stati considerati tre diversi casi in funzione del valore assunto dalla potenza prodotta dalla turbina (P_w), rispetto alla potenza massima (P_elmax) e minima dell’elettrolizzatore (P_elmin): il caso in cui P_w > P_elmax, il caso in cui P_elmin < P_w < P_elmax e il caso in cui P_w < P_elmin. Ciascuno di questi casi è stato suddiviso in sottocasi sulla base dello stato di carica della batteria, il cui valore è confrontato con due valori soglia, scelti rispettivamente pari a 30% (𝑆𝑂𝐶_𝑚𝑖𝑛) e 90% (𝑆𝑂𝐶𝑚𝑎𝑥), in modo da lasciare un certo margine di capacità della batteria per la

gestione della potenza dell’elettrolizzatore, al variare della potenza generata dalla turbina eolica.

Di seguito viene riportato il codice di logica gestione di Matlab:

if P_w> P_elmax

if SOC <= SOCmin

P_el = (P_elmin+P_elmax)/2; P_b = P_el -P_w;

elseif SOC > SOCmin P_el = P_elmax; P_b = P_el -P_w;

end

elseif (P_elmin < = P_w) && (P_w < = P_elmax)

if SOC >= SOCmax P_b = 0; P_el = P_w;

elseif SOC < SOCmax P_el = P_elmin; P_b = P_el -P_w;

31 elseif P_w < P_elmin

if SOC > SOCmin

P_b = P_elmin-P_w; P_el = P_elmin;

elseif SOC <= SOCmin P_el = 0;

P_b =-P_w;

end

Il primo caso (P_w> P_elmax) rappresenta la situazione in cui la potenza generata dalla turbina eolica è maggiore rispetto alla potenza massima dell’elettrolizzatore (P_elmax).

Durante questa condizione operativa, si distinguono due diversi funzionamenti che dipendono dallo stato di carica della batteria. Quando esso risulta uguale o inferiore a SOCmin, piuttosto che lavorare alla massima potenza dell’elettrolizzatore si preferisce farlo funzionare ad una potenza intermedia, pari alla media tra i due valori limiti del dispositivo. In questo modo è possibile ricaricare la batteria fino ad un valore superiore rispetto alla soglia minima (𝑆𝑂𝐶_𝑚𝑖𝑛 = 30%), utilizzando la sovraproduzione di potenza eolica. Una volta superato lo stato di carica SOCmin, l’elettrolizzatore lavora alla sua potenza massima e la batteria continua a caricarsi assorbendo la restante energia prodotta in più dalla turbina che altrimenti andrebbe persa.

Il secondo caso (P_elmin < P_w < P_elmax) invece riguarda il caso in cui la potenza generata dalla turbina eolica è compresa tra i valori di potenza massima e minima dell’elettrolizzatore. Quando la batteria risulta abbastanza carica, cioè con SOC maggiore rispetto a quello massimo di soglia (SOCmax), l’elettrolizzatore utilizza tutta la potenza eolica per la produzione di idrogeno, adattando il suo comportamento alle condizioni imposte dalla velocità del vento. Nel momento in cui lo stato di carica dell’accumulo di energia elettrica scende al di sotto della soglia SOCmax, si minimizza la potenza dell’elettrolizzatore per favorire una rapida ricarica della batteria. A questo punto, una volta raggiunta la soglia SOCmax, l’elettrolizzatore può ritornare a lavorare alle condizioni di potenza generata dalla fonte eolica.

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Infine, l’ultimo caso (P_w < P_elmin) riguarda il caso in cui la generazione di potenza eolica è bassa, cioè quando l’energia elettrica prodotta dalla turbina non è sufficiente per alimentare l’elettrolizzatore alla sua potenza minima. Durante questi momenti di scarso potenziale energetico, la batteria assume un ruolo chiave nella gestione dell’elettrolizzatore. Quando lo stato di carica è maggiore rispetto al valore della soglia minima, l’elettrolizzatore assorbe l’energia necessaria dalla batteria per funzionare alla potenza minima, cioè P_elmin. Questa utilizzazione dell’accumulo elettrochimico offre un enorme vantaggio per l’elettrolizzatore perché permette al dispositivo di continuare a produrre idrogeno, nonostante una bassa produzione di energia elettrica da fonte eolica. Inoltre, si evita lo spegnimento dell’elettrolizzatore alcalino, riducendo i tempi di inattività e la degradazione. Infatti quest’ultima a causa dei possibili on/off dell’elettrolizzatore può creare danni al dispositivo riducendo in breve tempo l’efficienza. Tuttavia, nelle condizioni di basso accumulo elettrochimico, l’elettrolizzatore è obbligato a smettere di funzionare, perché non viene garantita nemmeno la sua potenza minima.

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