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  • Più efficiente, celle a combustibile ad ossido solido di più lunga durata

    Ventola di ricircolo dei gas di scarico sviluppata presso il Laboratory for Applied Mechanical Design (LAMD) dell'EPFL. Credito:EPFL

    Celle a combustibile ad ossido solido, o SOFC, sono dispositivi che producono sia elettricità che calore ossidando un combustibile come il gas naturale o il biogas. Questo efficiente dal punto di vista energetico, la tecnologia a emissioni zero ha il potenziale per soddisfare l'energia domestica e commerciale, fabbisogno di riscaldamento e acqua calda.

    Mentre l'assorbimento è alto in paesi come il Giappone, Le SOFC devono ancora prendere piede in Europa, non da ultimo perché i costi di produzione elevati rappresentano una barriera alla produzione di celle su larga scala. Ma una nuova ricerca di un team dell'EPFL potrebbe rivelarsi un punto di svolta.

    Ingegneri del Laboratorio di Progettazione Meccanica Applicata (LAMD), con sede a Microcity a Neuchâtel, hanno ideato un nuovo modo per migliorare l'efficienza delle SOFC domestiche, cioè celle da 6 kWe (kilowatt-elettrico). Il ventilatore a turbina a vapore, che fa ricircolare i gas attraverso il sistema, aumenta anche la durata della vita delle cellule. Questo progetto collaborativo ha coinvolto tre partner:LAMD, il Group of Energy Materials (GEM) con sede presso il campus dell'EPFL Valais Wallis a Sion e guidato da Jan Van Herle, e SOLIDpower SA, un'impresa privata situata a Yverdon-les-Bains. Un articolo che descrive in dettaglio la ricerca è stato pubblicato sulla rivista Applied Energy.

    Ricircolo del gas

    I ricercatori hanno ottenuto questi guadagni in termini di efficienza e durata utilizzando un nuovo sistema chiamato ventola di ricircolo dei gas di scarico dell'anodo. In condizioni normali, Le SOFC convertono solo circa l'80-85% del carburante in ingresso, che transita una sola volta nella cellula. Collegando l'uscita all'ingresso, il team è stato in grado di far ricircolare i gas attraverso la cella una seconda volta. Poiché le SOFC operano a temperature superiori a 600°C, "il ventilatore di ricircolo aumenta la pressione dei gas in uscita, portandolo ad un livello compatibile con la pressione all'interno della cella, "dice Patrick Wagner, l'autore principale del documento.

    Con il nuovo sistema, il team ha osservato notevoli guadagni di efficienza fino al 10%. "Quando abbiamo accoppiato la ventola a una cella a combustibile di tipo domestico funzionante a carico parziale, o 4,5 kWe, abbiamo raggiunto efficienze lorde del 66%, " dice Jürg Schiffmann, chi dirige la LAMD. A confronto, le centrali elettriche più avanzate raggiungono efficienze del 63% senza generare calore recuperabile. Inoltre, questi impianti funzionano a intervalli di capacità dell'ordine di centinaia di megawatt:elettrici, o MWe. In Svizzera, circa il 6% di tale energia viene persa tra l'immissione in rete e il prelievo.

    L'albero con cuscinetti lubrificati a vapore sviluppato all'EPFL. Credito: EPFL 2020

    Oltre a migliorare l'efficienza, il sistema di ventilazione prolunga anche la durata della cella poiché la miscela di gas ricircolata aumenta la stabilità del catalizzatore.

    Resistente e autosufficiente

    Il ricircolo del gas potrebbe non essere un concetto nuovo di per sé, ma il design del team segna una rottura netta con i sistemi precedenti. Il ventilatore è dotato di cuscinetti lubrificati a vapore sviluppati presso la LAMD ed è azionato da una turbina a vapore in miniatura che funziona con il calore prodotto dalla cella.

    I ricercatori hanno optato per cuscinetti lubrificati a vapore per evitare il rischio di contaminazione. "SOFC, come quasi tutti i dispositivi catalitici, sono estremamente delicati, " dice Wagner. "Se l'olio o un altro lubrificante si fa strada all'interno, può causare problemi reali. I cuscinetti lubrificati a vapore sono parti meccaniche che non richiedono olio. La parte rotante del sistema si trova su un cuscino d'aria generato dall'albero, un'altra parte del sistema, mentre gira." Questo design ha un altro vantaggio:oltre a durante l'avvio e l'arresto, nessuna delle parti entra in contatto tra loro, il che significa che non si indossano.

    Il team ha utilizzato una turbina a vapore perché i gas in uscita delle SOFC contengono idrogeno e altri composti potenzialmente esplosivi nel carburante residuo. "Il nostro ventilatore di ricircolo è composto esclusivamente da parti meccaniche, quindi non rappresenta assolutamente alcun rischio per la sicurezza, " aggiunge Wagner. "Non sarebbe stato il caso se avessimo usato un motore elettrico." La turbina da 34 Watt è ideale per SOFC domestici. Con un diametro di soli 15 mm, è una delle turbine a vapore più piccole al mondo.


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