CONCLUSIONI E SVILUPPI FUTURI
Il presente lavoro, partendo dall’analisi delle caratteristiche che hanno portato a preferire le celle a combustibile ad elettrolita polimerico rispetto alle altre tipologie di celle presenti in letteratura tecnica, si è occupato prevalentemente del management termico di questi sistemi di conversione diretta dell’energia chimica in energia elettrica interfacciando però tale studio ai vari ambiti disciplinari propri delle celle a combustibile. Le celle a combustibile ad elettrolita polimerico, come illustrato in precedenza, coniugano l’uso dell’idrogeno (o del metanolo) in qualità di reagente alla possibilità di aggirare il limite di Carnot, poiché a differenza dei sistemi che si basano su cicli termodinamici convenzionali, non presuppongono processi di combustione all’interno del sistema. Oltre a ciò, possiedono basse temperature operative, inferiori ai 150° C, che le rendono più interessanti rispetto alle altre tipologie di celle a combustibile in ottica di possibili utilizzi in condizioni non stazionarie, ma che a causa dell’esigua differenza tra la temperatura operativa di cella e la temperatura ambiente pongono maggiori problematiche dal punto di vista termodinamico.
L’intero lavoro si è articolato in più fasi, collegate tra di loro da un unico filo conduttore, relativo all’ottimizzazione dei sistemi di controllo termico tradizionali e all’analisi delle prospettive che la tecnologia offre in questo settore.
L’analisi preliminare ha voluto evidenziare l’importanza della temperatura nella gestione delle celle. Esiste infatti un livello di temperatura al quale questi sistemi riescono a funzionare in condizioni ottimali, ed è compito del sistema di controllo termico assicurare che tali parametri siano rispettati. Infatti è stato mostrato come valori della temperatura inferiori al valore ottimale rischino di compromettere il trasporto degli ioni attraverso la membrana, portando la cella a non funzionare correttamente; temperature superiori al valore ottimale, però, abbassano il voltaggio teorico e conseguentemente l’efficienza della cella, oltre a compromettere il funzionamento della membrana, che deve trovarsi a fissati valori di umidità per condurre gli ioni in maniera adeguata.
La fase di analisi è proseguita facendo riferimento ai modelli di stack di celle a combustibile sia commerciali che pre-commerciali, analizzando le tecnologie di controllo termico dei vari sistemi, il cui compito è quello di livellare al massimo la temperatura di cella, che devono asportare quando necessario il calore residuo di reazione derivante dalle reazioni di conversione H2 −O2. È stato osservato come i sistemi di controllo termico delle celle
convenzionali siano tutt’oggi “scollegati” dal sistema celle a combustibile, con indubbi svantaggi sulle prestazioni di cella. Proprio partendo dall’importanza della temperatura di cella, la fase successiva del lavoro è consistita nell’elaborazione di un modello termo- elettrochimico monodimensionale stazionario, capace di fornire un profilo di temperatura su cui impostare successivamente un adeguato sistema di controllo termico. Il modello termo- elettrochimico ha evidenziato come alla potenza nominale di funzionamento delle celle, la temperatura si distribuisca in maniera pressoché uniforme in tutti i componenti dello stack, piastre bipolari incluse.
Dopo ciò, la fase successiva riguardato l’ottimizzazione di sistemi di controllo termico per circolazione separata di aria, riconducibili ad un unico modello matematico del sistema:
asportazione di calore da pacchi alettati chiusi per convezione forzata di fluidi. Rispetto però ad un classico problema di scambio termico, subentrano alcuni vincoli che riguardano il funzionamento della cella (riguardanti la temperatura operativa e il livello di umidità della membrana) e che vincolano quindi l’asportazione di calore a livelli prestabiliti. Mediante una visione di insieme del “sistema celle a combustibile” capace quindi di unire gli aspetti elettrochimici a quelli prettamente termici, sono state dettate le linee guida di quello che è proprio un processo di ottimizzazione della tecnologia di controllo termico delle celle a combustibile ad elettrolita polimerico. Tramite un approccio di tipo termo-energetico, capace di accoppiare la capacità di rimuovere l’eccesso di calore prodotto dalle reazioni elettrochimiche a problematiche di tipo fluidodinamico, è stato delineata una procedura di ottimizzazione multi obiettivo, che massimizzasse il calore asportabile dalla cella minimizzando nel contempo le perdite di carico nei canali di raffreddamento ed eventualmente altre funzioni quali la potenza dei ventilatori o il peso del sistema di controllo, il tutto considerando vincoli di tipo termico, elettrico e chimico. A partire da ciò, è stata analizzata la cella a combustibile FC-019K-5 della H2ECOnomy acquistata dal Dipartimento di Energetica “L. Poggi” della Facoltà di Ingegneria dell’Università di Pisa nell’ambito del presente lavoro, e ne sono state proposte delle variazioni del sistema di controllo termico.
L’analisi di questo sistema commerciale ha avuto lo scopo di mostrare lo scarso valore dato al problema del thermal management in ambito tecnico, ma che limita di fatto le prestazioni dello stack. Dall’analisi preliminare di questo stack è emersa nuovamente la visione miope di tale problema che parzialmente sussiste ancora oggi tra i tecnici, anche se negli ultimi tempi si sta assistendo ad una maggiore presa di coscienza relativamente ai problemi di thermal management. In altre parole, il sistema di controllo termico di questo stack, basato su circolazione forzata di aria all’interno di canali ricavati nelle piastre bipolari, riuscendo ad
asportare a stento il calore di reazione a funzionamento nominale. Come mostrato dalla curva tensione corrente infatti, lo stack di celle a combustibile FC-019K-5 della H2ECOnomy potrebbe funzionare alla potenza massima di 250 W, ma a causa dell’incapacità del sistema di controllo termico il costruttore suggerisce di fermarsi a 200 W. Il processo di ottimizzazione vincolata ha evidenziato come sia possibile infatti incrementare la potenza ottenibile del 25%
riducendo nel contempo il consumo degli ausiliari ad un terzo del valore fornito dal costruttore.
Il metodo per circolazione forzata di aria allora permette di gestire correttamente sistemi convenzionali allo stazionario, evitando nel contempo inutili sovradimensionamenti del sistema di controllo termico che possono minare il corretto funzionamento della cella. I problemi del sistema di controllo termico per circolazione separata di aria sorgono sia quando le celle cominciano a variare nel tempo il loro punto di funzionamento, osservando in tal caso come tale tecnica non riesca a seguire bene l’andamento del flusso termico da smaltire, sia al crescere delle potenze specifiche del sistema (superiori a 0,5 W/cm²), notando come l’incremento del consumo degli ausiliari e gli ingombri del sistema siano tutt’altro che trascurabili. In ottica futura, dove si intravedono le celle a combustibile ad elettrolita polimerico verso elevate temperature operative (superiori agli 80°C) è possibile intravedere sistemi basati su tecnologie bifase, capaci di sorpassare i limiti dei sistemi per circolazione separata di aria ma che in alcune circostanze possono presentare instabilità di funzionamento.
L’esigenza di temperature operative maggiori è dettata dal tentativo di coniugare potenze specifiche maggiori ( dell’ordine di 1 W/cm²) all’utilizzazione di idrogeno non purissimo, derivante ad esempio da processi di reforming.
I possibili sviluppi delle celle a combustibile di tipo PEM riguarderanno quindi sicuramente una massiccia affermazione delle elevate temperature operative, accoppiate quindi a sistemi di controllo termico bifase, più adatti a gestire e controllare termicamente le variazioni delle condizioni di funzionamento.
Riguardo alla commercializzazione di questi sistemi non sembra opportuno basarsi su previsioni future, poiché il corso dei fatti ha insegnato che molte volte obiettivi che sembrano alla portata di tutti, a volte non vengono raggiunti, mentre altri obiettivi che alla luce dei fatti sembrano utopistici, risultano alla fine di più semplice conseguimento. Esistono infatti ancora molti problemi che attendono una soluzione, primi tra tutti le condizioni di avviamento e la crescita di stabilità della tensione-corrente, della temperatura operativa e del water management, che non troveranno risposte forti fino a quando si vedranno i vari ambiti del problema in maniera disgiunta. Solo una visione completa del problema permetterà realmente
una notevole affermazione tra i sistemi di conversione dell’energia. Le celle a combustibile poi, trovando possibili applicazioni in tutto il panorama energetico, dalla micro generazione alle grandi centrali di potenza passando per applicazioni nel settore dei trasporti, non si inquadrano per ora in un solo ambito applicativo, e per questo è chiaro come i problemi da affrontare siano diversi a seconda della direzione in cui ci si sposti.
Il presente lavoro ha mirato ad indagare le prestazioni di sistemi di taglia intermedia, propri del settore “automotive” e della generazione distribuita, in cui generalmente il compito dei sistemi di potenza non è quello di funzionare in condizioni di progetto, ma di variare il punto di funzionamento in base alle esigenze dell’utilizzatore, ponendo problematiche proprie dei sistemi non stazionari, non del tutto affrontabili con sistemi di controllo termico tradizionali (circolazione separata di aria). Riguardo ai possibili sviluppi derivanti da questo lavoro, è da premettere che fino ad ora non è presente in letteratura tecnica uno studio capace di coniugare i tre aspetti studiati: termico, elettrico e chimico; ma ogni tecnico ha cercato di risolvere la parte di sua competenza senza interfacciarsi agli altri ambiti disciplinari. Il presente lavoro ha cercato invece di individuare una strada per una visione globale delle celle a combustibile, che coniugasse i vari ambiti disciplinari.
A partire da ciò, gli sviluppi futuri del presente lavoro vanno inquadrati in un’ottica di validazione sperimentale degli studi effettuati fin’ora da effettuare prima sulla cella a combustibile FC-019K-5 della H2ECOnomy di proprietà del Dipartimento di Energetica “L.
Poggi” dell’Università di Pisa così come prodotta, e proponendone in seguito miglioramenti del sistema di controllo termico.
Riassumendo, il presente studio ha permesso di evidenziare i seguenti risultati:
o L’attenzione relativamente al controllo termico di celle a combustibile non è oggi particolarmente elevata, ma come è stato dimostrato il thermal management occupa un ruolo da protagonista per la reale affermazione di questi sistemi, essendo responsabile del corretto funzionamento delle celle;
o Il controllo termico per circolazione forzata di aria in canali ricavati nelle piastre bipolari prospetta, nel caso di celle convenzionali, elevati margini di miglioramento. Ad esempio il caso studio relativo allo stack di celle a combustibile FC-019K-5 ha evidenziato come sia possibile un’ottimizzazione che permette di incrementare la potenza ottenibile del 25%, riducendo nel contempo il consumo degli ausiliari a 0,06 W rispetto ai 2,2 W dichiarati dal costruttore (Questo dato può diminuire ulteriormente incrementando le dimensioni complessive del sistema);
oLe celle ad alte densità di potenze (e a temperature superiori ai 100°C) rappresentano l’evoluzione delle celle convenzionali, ma pongono problemi relativamente alla stabilità termica e al mantenimento dell’umidità di cella (quest’ultima caratteristica tralasciata nell’ambito del presente lavoro, ma di fondamentale importanza), necessitando quindi di un accurato sistema di controllo diverso da quelli tradizionali.
o L’utilizzo del controllo termico per circolazione separata di aria è utilizzabile prevalentemente per celle convenzionali (densità di potenze intorno a 0,5 W/cm²). Alle alte densità di potenza, oltre alla crescita degli ingombri e all’incremento delle potenze degli ausiliari, questi sistemi non riescono a garantire le condizioni ottimali per il funzionamento delle celle, poiché agiscono in maniera scollegata dallo stack, in dipendenza cioè dal regime di rotazione dei ventilatori.
o I sistemi bifase, evoluzione dei dissipatori tradizionali, permettono di superare gli inconvenienti dei sistemi di controllo termico convenzionali alla luce delle proprie caratteristiche operative, riuscendo a controllare efficacemente sia la temperatura che l’umidità di cella, e su di loro si stanno concentrando le ricerche in relazione all’affermazione di celle ad elevate densità di potenza.
