Fuell Cell come backup di potenza per le centrali

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AMBIENTE
Sperimentazione in campo:
Fuel Cell
come backup di potenza
per le centrali
GIUSEPPE CALZETTI
MAURIZIO GROSSONI
ARISTIDE TORRELLI
La tecnologia delle Fuel Cell (celle a combustibile) è stata spesso vista come
una promettente alternativa alle batterie di accumulatori o ai gruppi elettrogeni per le necessità di backup di potenza per l’industria delle TLC.
La recente collaborazione tra la SGS Future (il distributore di celle a combustibile della ReliOn), Telecom Italia e Pirelli Labs ha portato al risultato di provare in campo e, di conseguenza, di raccogliere dati sperimentali sulla applicazione delle celle a combustibile come backup di potenza per Centrali di
TLC di Telecom Italia.
Questo articolo vuole focalizzare l’esperienza acquisita su tre realizzazioni nel
Nord Italia dove le celle a combustibile sono state installate in sostituzione
delle batterie di accumulatori.
1. Soluzioni di backup nelle Centrali di TLC
Gli impianti di TLC, per motivi di praticità e
di convenienza economica, sono normalmente
alimentati dalla rete elettrica di distribuzione
pubblica.
Per adattare questa ultima alle esigenze del
carico di TLC è normalmente interposta una stazione di energia in corrente continua composta da
raddrizzatori.
Per far fronte alle mancanze di alimentazione
della rete di distribuzione elettrica, le suddette
stazioni di energia sono normalmente integrate
con batterie di accumulatori che costituiscono la
prima riserva di energia senza soluzione di continuità.
In alcuni casi l’impianto è completato da un
gruppo elettrogeno che, sostituendosi alla rete
di distribuzione pubblica, consente di far fronte
alle mancanze della stessa di lunga durata
senza sovradimensionamenti della batteria di
accumulatori.
Negli impianti di TLC sono normalmente utilizzate, per evidenti ragioni di costo, batterie costituite da accumulatori al piombo.
2. Tecnologia delle celle a combustibile (Fuel Cell)
Le celle a combustibile sono dispositivi elettrochimici in grado di convertire l’energia chimica dell’idrogeno e dell’ossigeno direttamente in energia
elettrica senza produrre la minima forma di inquinamento o di residuo nocivo. L’elemento fondamentale di una fuel cell, è costituito da due elettrodi, un
anodo e un catodo, divisi da una membrana poli-
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CALZETTI › GROSSONI › TORRELLI • Sperimentazione in campo: Fuel Cell come back-up di potenza per le centrali
merica (figura 1). L’idrogeno viene fatto pervenire
all’anodo dove, ossidandosi, cede elettroni che
sono forzati a circolare attraverso il circuito elettrico esterno. Gli ioni idrogeno riescono a permeare attraverso la membrana per combinarsi al
catodo con l’ossigeno proveniente dall’aria e con
gli elettroni provenienti dal circuito esterno. Il prodotto di reazione è solo acqua distillata, energia
elettrica e calore.
ANODE
CATHODE
DC Electricity
eeHydrogen
e-
e- eWater
Electrons
Heat
Protons
Membrane
I/202 + 2e- <--------> I/202=
H2 + I/202 -----> H2O
FIGURA 1› Schema di principio di una Fuel Cell.
2.1 Benefici delle celle a combustibile
• Nessuna emissione nociva: le celle a combustibile funzionano mediante reazioni elettrochimiche e non con processi di combustione, caratteristici dei sistemi tradizionali. Hanno la totale
assenza quindi di sostanze inquinanti (COx,
NOx, SOx e particolato). L’eventuale presenza
di un sistema integrato (reformer) in grado di
“trasformare” combustibili tradizionali (metano,
GPL, etanolo, metanolo) in idrogeno rappresenta comunque una migliore soluzione evitando la presenza di polveri e ossidi di zolfo o
d’azoto.
• Silenziosità: una cella a combustibile non presenta al suo interno parti in movimento: la reazione elettrochimica, e quindi la produzione di
e n e rgia , a vvie ne in m a nie ra si l en zi o sa. Il
sistema nel suo complesso comprende però
pompe, motori elettrici ed altri organi ausiliari.
La loro presenza induce comunque un livello di
r u m o rosità a bba sta nza ridotto, sti mabi l e
attorno ai 55 dB (A), corrispondenti al livello
sonoro di una normale conversazione. Gli
impianti a fuel cell possono, quindi, essere tranquillamente installati all’interno degli edifici
senza dover ricorrere a particolari protezioni
acustiche.
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3. La cella a combustibile e il sistema di
monitoraggio
Oxygen
e-
H2<-------->2H+ + 2e-
• Alto rendimento elettrico: le celle a combustibile hanno rendimenti elevati, superiori al 35%.
Con il recupero del calore prodotto dalle reazioni elettrochimiche, questi valori possono
innalzarsi ulteriormente fino a circa l’80%. La
possibilità di ottenere prestazioni così elevate
dipende dal fatto che l’energia chimica del
combustibile viene convertita direttamente in
energia elettrica, senza ricorrere al passaggio
intermedio della trasformazione in energia meccanica (come invece avviene nei tradizionali
sistemi a combustione).
NOTIZIARIO TECNICO TELECOM ITALIA › Anno 15 n. 2 - Settembre 2006
A seguito dell’analisi del mercato delle celle a
combustibile, Telecom Italia ha intrapreso il progetto quì descritto utilizzando una cella con le
seguenti specifiche di sistema di massima.
• Affidabilità: i sistemi di backup per reti di TLC
devono necessariamente essere caratterizzati
da elevata affidabilità visto che il loro utilizzo è
richiesto solo in caso di emergenza. Il mancato
avvio della macchina porta infatti alla rapida
perdita dell’operatività della Centrale.
• Interfacciamento con le apparecchiature preesistenti: al fine di permettere l’inserimento dei
sistemi a celle a combustibile come apparecchiatura standard nella Rete di sistemi Telecom
Italia, è necessario che il loro interfacciamento
con le altre apparecchiature di centrale (raddrizzatori, banchi batterie) sia il più semplice e compatibile possibile. Particolare attenzione è stata
data inoltre alla possibilità di allacciamento dei
sistemi alla rete di allarmi presente in centrale.
• Ridotta manutenzione: una delle fondamentali
caratteristiche del sistema è rappresentata dalla
ridotta richiesta di manutenzione. La presenza
L’apparato Fuel Cell.
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CALZETTI › GROSSONI › TORRELLI • Sperimentazione in campo: Fuel Cell come back-up di potenza per le centrali
sul territorio italiano di migliaia di installazioni
obbliga infatti ad un’attenta valutazione e pianificazione delle eventuali tempistiche di manutenzione.
Il sistema a celle a combustibile è un sistema
modulare con potenza pari a 1 kW adatto per
applicazioni stazionarie. Il sistema, raffreddato ad
aria, può essere combinato in parallelo fino ad
ottenere potenze complessive superiori ai 10 kW.
La peculiarità di questi sistemi è la modularità
intrinseca che permette di ottenere affidabilità di
servizio elevatissime.
L’approccio tradizionale nella realizzazione di
sistemi di potenza consiste nella combinazione in
serie degli elementi fondamentali (anodo-membrana-catodo) a formare quello che è definito
stack. Nella foto 1 è rappresentato questo elemento che nelle celle tradizionali rappresenta il
cuore del sistema.
Il sistema è monitorabile remotamente tramite
connessione LAN e, grazie ai contatti puliti che lo
caratterizzano, facilmente interfacciabile alla rete
allarmi Telecom Italia ed al sistema di
gestione/controllo. Le specifiche tecniche della
macchina utilizzata sono dettagliate nella tabella 1.
Di seguito é esposta una sintesi delle caratteristiche tecniche delle celle a combustibile utilizzate
per la sperimentazione.
• Sistema modulare: elevata affidabilità di servizio
e possibilità di scalare la potenza delle macchine in funzione del carico di centrale.
• Elevata ridondanza: sistema studiato per avere
una ridondanza in tutte le sue componenti
(schede di gestione/potenza, cartucce, soffianti
per l’aria). I fermi macchina per manutenzione o
guasto sono fortemente limitati.
• Interfaccia tramite contatti puliti/LAN: facile
interfacciamento con le apparecchiature di centrale (minimi costi di gestione). Possibilità di
gestione remota tramite connessione Internet.
• Sistema raffreddato ad aria: semplicità impiantistica che non prevede quindi la presenza di
pompe per la circolazione di liquidi di raffreddamento.
4. Finalità della sperimentazione
Lo scopo della sperimentazione realizzata da
Telecom Italia era quella di verificare l’affidabilità sul
campo dei sistemi a celle a combustibile come soluzioni di backup per impianti di TLC. La sperimentazione parte dal presupposto che la soluzione attualmente adottata, le batterie di accumulatori al
piombo, presentano un’affidabilità elevatissima
insieme però a problematiche non trascurabili quali
l’elevato peso ed ingombro. Scopo del testing sul
campo era quello di verificare che il sistema con le
FOTO 1› Stack di cella a combustibile tradizionale.
Questo sistema però, combinando n elementi in
serie fra loro, è altamente suscettibile a frequenti
interruzioni di servizio. Se infatti un singolo elemento
perde funzionalità, tutto il sistema si arresta essendo
interrotta la continuità elettrica complessiva.
Il sistema utilizzato nella sperimentazione è
caratterizzato da un approccio, definito “HotSwappable Modular Cartridge Tecnology” e illustrato in foto 2: all’interno del sistema sono presenti sei cartucce indipendenti fra loro e collegate
ad un bus comune. Ciascuna cartuccia contiene
dieci elementi fondamentali (anodo-membranacatodo) ed è in grado di fornire una potenza di
circa 160 W. L’unità è quindi in grado di by-passare
eventuali guasti e di funzionare anche se una o più
cartucce non dovesse rispondere correttamente.
L’eventuale sostituzione di una cartuccia è una
procedura che può essere effettuata “a caldo”
senza dover spegnere la macchina.
FOTO 2› Approccio modulare della singola Fuel Cell.
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CALZETTI › GROSSONI › TORRELLI • Sperimentazione in campo: Fuel Cell come back-up di potenza per le centrali
Product Specifications
Dimensions
(W x D x H)
44.5 cm x 69 cm x 51 cm
Physical
Performance
Fuel
Operation
Safety
Emissions
Weight
66 kg
Mounting
19” or 23” rack
Net power
Continuous 1000 Watt
DC voltage
48 Vcc - nominal
Current
20 A
Estimated MTBF
22,000 hours
Composition
Standard industrial
grade hydrogen (99.95%)
Supply
pressure
25 to 100 psig
172 to 689 KPag
1.72 bar to 6.89 bar
Consumption
7.7 slpm @ 500 Watt
15 slpm @ 1000 Watt
Ambient
temperature
0° C to 46° C
Relative
humidity
0 - 90%
Altitude
2000 m slm
Location
Indoors or installed
in Outdoor Enclosure
Compliance
UL
CE
Water
Max. 30 mL / kWh
Noise
53 dBA @ 1 meter
TABELLA 1› Dati tecnici della Cella a Combustibile utilizzata per la
labile (750 litri, capacità geometrica in litri d’acqua)
senza la necessità di ottenere un CPI (Certificato
Prevenzione Incendi) da parte del comando di
competenza dei Vigili del Fuoco. Al di sotto di tale
quantità è sufficiente, in seguito all’analisi dei
rischi, realizzare un’installazione secondo regole di
buona e corretta installazione. Per fare questo però
non esiste un riferimento preciso: esistono gruppi
di lavoro per la definizione di norme UNI ed ISO. In
particolare nell'ambito dell'organizzazione ISO
sono stati istituiti due Comitati Tecnici:
• ISO/TC 197: dedicato alle tecnologie dell'idrogeno;
• ISO/TC 22: dedicato ai veicoli stradali alimentati
a combustibili gassosi, incluso l'idrogeno.
Il primo di questi gruppi di lavoro ha rilasciato
una linea guida (ISO/TR 15916:2004) al quale è
possibile far riferimento. Qualora si voglia fare riferimento alle normative degli altri stati, in Germania
si fa riferimento alle norme TRB e TRG mentre negli
Stati Uniti si fa riferimento alle norme NFPA 50 e
NFPA 50B.
Nel realizzare i progetti descritti si è tenuto
come riferimento quanto emerso da numerosi
documenti come ad esempio quelli emanati
dall'EIGA (European Industrial Gas Association) che
non hanno valore legislativo ma forniscono utili
linee guida per la realizzazione di impianti di stoccaggio e distribuzione dell’idrogeno. Si è inoltre
tenuto conto delle normative PED e TPED avendo
a che fare con gas in pressione e delle direttive
ATEX e ATEX II che riguardano i dispositivi elettrici
in area classificata.
sperimentazione in campo.
6. Programmazione delle prove sul campo
celle a combustibile sia caratterizzato da prestazioni
tecniche paragonabili alle batterie al piombo con il
plus di non presentare le problematiche sopraccitate.
La valutazione è stata fatta non considerando le
celle a combustibile come elementi singoli ma è
stato valutato il comportamento del sistema complessivo di alimentazione. Sono stati quindi esaminati e verificati tutti gli aspetti degli impianti quali:
la linea di approvvigionamento dell’idrogeno, la
logistica di rifornimento dello stesso, l’interfacciamento delle macchine con le apparecchiature preesistenti, la logica di avviamento delle fuel cell e la
gestione nel tempo degli impianti.
5. Analisi delle tematiche relative all’uso
dell’idrogeno
Allo stato attuale la normativa di riferimento per
le applicazioni che prevedono l’installazione dell’idrogeno sono molto carenti sia a livello italiano che
internazionale. Nello specifico a livello nazionale si
deve far riferimento ai Decreti Ministeriali (DM
24/11/1984 e DM 24/05/2002) relativi all’utilizzo del
gas naturale. A livello normativo l’idrogeno è quindi
assimilato al gas naturale essendo entrambi di
densità inferiore a quella dell'aria. Il Decreto
Ministeriale fissa il limite massimo di gas accumu-
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NOTIZIARIO TECNICO TELECOM ITALIA › Anno 15 n. 2 - Settembre 2006
Prima di avviare le prove sul campo, le stesse
sono state pianificate accuratamente in modo da
caratterizzare rigorosamente sia le macchine che
gli impianti in generale. Le prove, della durata complessiva di sei mesi, sono state suddivise in quattro fasi distinte di seguito dettagliate:
Fase 0: a seguito dell’istallazione delle apparecchiature nelle tre centrali scelte da Telecom Italia
per la sperimentazione, sono state effettuate
numerose verifiche finalizzate soprattutto alla predisposizione e alla verifica degli allarmi del
sistema, alla taratura dei dispositivi di controllo e
alla messa a punto dei criteri necessari per la trasmissione a distanza dei dati acquisiti localmente
nelle centrali.
Fase 1: questa fase della sperimentazione era
volta a verificare il comportamento dei sistemi nel
caso di ripetute accensioni distribuite nel tempo
con cadenza medio-breve fino a esaurire completamente l’idrogeno contenuto nel pacco bombole
installato, per passare poi alla seconda fase di
prove in campo. Le prove hanno avuto una differente durata fino a un massimo di sei ore di funzionamento ininterrotto per un totale, sui tre siti, di
circa 100 ore di funzionamento ed hanno comportato la verifica del corretto raggiungimento delle
condizioni nominali dei sistemi installati.
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CALZETTI › GROSSONI › TORRELLI • Sperimentazione in campo: Fuel Cell come back-up di potenza per le centrali
Fase 2: In questa fase sono state eseguite
Le tre centrali sono tutte di tipo MD6 equipagprove di lunga durata - fino all’esaurimento dell’igiate con apparati di commutazione Alcatel in tecdrogeno contenuto in un secondo pacco di bomnologia IRSU e sono dedicate agli omonimi paesi
bole installato in ciascuna delle tre centrali - con
caratterizzati da un bacino di utenze pari rispettival’obiettivo di valutare:
mente a 1.000, 1.500 e 5.500. Come si può osser• l’autonomia del singolo impianto, legata al
vare dai dati riportati in tabella, i pacchi batterie
numero di celle a combustibile installate e alla
pre-esistenti in centrale consentono un’autonomia
quantità di idrogeno immagazzinato;
di fuori rete elevata, superiore a circa 24 ore in cia• l’efficienza elettrica dei sistemi a celle a combuscun sito.
stibile;
• le soglie di intervento del sistema di monitorag8. Descrizione degli impianti
gio previsto per segnalare l'esaurimento dell’idrogeno contenuto nelle bombole.
Gli impianti realizzati sono caratterizzati da
Fase 3: La terza fase della sperimentazione ha
semplicità che si evince anche dallo schema riporriguardato l’esecuzione di prove specifiche di funtato in figura 2: le celle a combustibile sono conzionamento e di interazione con i sistemi installati
nesse in parallelo sulla barra raddrizzatori assieme
all’interno delle centrali di Telecom Italia. L’elenco
al pacco batterie (nella prima fase del progetto a
delle prove è brevemente descritto di seguito:
quello preesistente, nella seconda al pacco di
• Raggiungimento delle condizioni di tampone.
capacità ridotta) e al gruppo raddrizzatori.
• Mancanza di rete di breve durata.
• Ricarica delle batterie dopo scarica
profonda (44 Vcc).
• Mancanze di rete ripetute.
• Avvio delle celle a combustibile per
Utility
batterie in condizione di scarica.
feed
• Prove cicliche.
• Prove dopo lunga inattività.
Rectifier
• Prove in condizioni ambientali sfavoAC
revoli.
Metered
Distribution
disconnect
Fase 4: quest’ultima campagna di
Panel
misure ha riguardato la ripetizione di
TLC
prove effettuate nel corso della fase preLoad
Rectifier
cedente dopo l’installazione di un pacco
batterie con capacità ridotta (150 Ah).
DC
Battery Bank
7. Scelta dei siti
bus
TLC
Load
La scelta da parte di Telecom Italia
dei tre siti idonei per la sperimentazione
è avvenuta considerando la necessità di
individuare centrali non nodali per importanza ma caratterizzate da un numero
sufficientemente elevato di utenze connesse. La posizione geografica inoltre
doveva essere tale da motivare la necessità di un’autonomia di fuori servizio elevata. Le tre centrali scelte per la sperimentazione (tabella 2) sono risultate:
Nome centrale
ITLC [A]
VEZZANO
20
2 x 530 Ah
CALAVINO
23
2 x 1200 Ah
MATTARELLO
60
2 x 600 Ah
FUEL CELL
SYSTEM
FIGURA 2› Schema degli impianti a Fuel Cell.
Consistenza batterie [Ah]
ITLC [A] = Assorbimento della centrale TLC
TABELLA 2› I siti selezionati per la sperimentazione.
Sono state quindi installate quattro celle a combustibile in parallelo nel sito di Mattarello e due
ciascuna nelle rimanenti centrali.
L’avvio delle celle è effettuato attraverso i contatti puliti di mancanza rete che sono derivati dalla
rete di trasmissione centrale degli allarmi Telecom
Italia. Le celle a combustibile possono essere
avviate inoltre in maniera automatica, quando la
tensione delle batterie scende sotto una soglia predefinita. È possibile, infatti, scegliere quattro livelli
di tensione (44, 46, 48 e 50 Vcc): se la tensione
scende sotto il valore di tensione preinpostato, le
celle a combustibile erogano potenza finché non si
raggiunge il valore di tampone. Se questo valore di
tensione si mantiene per 20 minuti consecutivi le
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CALZETTI › GROSSONI › TORRELLI • Sperimentazione in campo: Fuel Cell come back-up di potenza per le centrali
celle tornano in condizione di stand-by. Per le celle
in sperimentazione la soglia di partenza dei sistemi
è stata fissata a 48 Vcc.
Entrando più nel dettaglio degli impianti realizzati, in ciascun sito sono stati posizionati degli
appositi rack in grado di alloggiare due celle ciascuno ed il pacco batterie di dimensioni ridotte.
Tale struttura incorpora inoltre il circuito di smaltimento dell’aria calda prodotta, la quale è convogliata all’esterno dei locali attraverso le condotte
osservabili in foto 3.
B)
remota il segnale di “idrogeno in esaurimento”.
L’impianto è stato realizzato inserendo due elettrovalvole normalmente chiuse in modo da garantire la totale sicurezza dell’impianto: la loro apertura è comandata solo in seguito al ricevimento del
comando di avvio delle celle a combustibile. Le
elettrovalvole sono collegate al sensore di rilevazione presenza idrogeno, posizionato all’interno del
locale: in questo modo, in caso di grave anomalia
o fughe di gas all’interno del sito, il flusso di idrogeno è interrotto esternamente alla costruzione
muraria. L’ultimo elemento inserito è
costituito da una valvola a triplo effetto
(antiritorno di fiamma, di intercettazione
e antiritorno di flusso).
Gli impianti sono connessi alla rete di
allarmi Telecom Italia assimilandoli a
gruppi elettrogeni; gli allarmi ritrasmessi
sono: Macchina in moto, Guasto macchina e Fine combustibile. È stato inoltre
realizzato un software di gestione in
grado di acquisire i segnali generati dalle
cel l e ed i n vi ti trami te co nne s s io ne
Ethernet.
9. Analisi e valutazione dei risultati
delle prove
A)
FOTO 3› Impianto realizzato con stoccaggio di idrogeno (Mattarello):
A) gruppo bombole, B) rack con le quattro celle a combustibile.
Lo stoccaggio di idrogeno è stato realizzato
installando pacchi bombole (200 bar) con capacità
di accumulo pari a 108 Nm3 di gas: questo e collegato tramite una serpentina ad una valvola di intercettazione in grado di scaricare in atmosfera eventuali fuoriuscite di gas. In cascata è posto il riduttore di pressione necessario a portare la pressione
del gas da 200 bar fino al valore di utilizzo delle
celle (da 1,7 fino a 6,9 bar). Questa riduzione viene
effettuata in due stadi distinti anche se fisicamente
si fa riferimento ad un unico elemento. È stato
deciso in sede di progetto di ottimizzare le procedure di sostituzione del pacco esaurito: per questa
ragione il riduttore è dotato di manometro di contatto in modo da inviare al sistema di segnalazione
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Le celle a combustibile hanno sempre
risposto in maniera corretta intervenendo
quando richiesto e consentendo di
riscontrare, così, un’affidabilità elevata
per il servizio di emergenza (100 per
cento di prove riuscite con successo).
In figura 3 è riportata, a titolo di
esempio, una registrazione dell’andamento della tensione del pacco batteria
(linea verde) e della potenza generata
(linea blu) da una singola cella nel sito di
Mattarello. Il grafico si riferisce a un’erogazione dell’alimentazione di soccorso di
circa 50 minuti.
Dalla figura può essere rilevato che la
cella ha raggiunto le condizioni nominali
di funzionamento in circa 11 minuti portandosi nei primi due minuti a circa l’80%
del carico complessivo alimentato.
Le condizioni di batteria completamente carica, sono state fissate1 al valore di 53,3
V e sono state raggiunte stabilmente, nella situazione riportata caratterizzata da pacco batterie
parzialmente scarico, dopo circa 25 minuti.
• Risultati Fase 2
Come si è accennato in precedenza la seconda
fase della sperimentazione è stata volta a verificare
l’affidabilità dei sistemi nel lungo periodo e a ottenere risultati dal campo sull’efficienza elettrica dei
(1)
Questo valore si riferisce alle batterie al piombo ad elettrolito
libero (2,22 Volt per elemento) disponibili nelle centrali nel
corso delle prove.
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VOLTAGE [V]
sistemi e cioè del rendimento (η) nella conversione
60
1600
da idrogeno a energia effet59
1400
tivamente erogata sul
58
carico. I sistemi sono stati,
57
1200
perciò, predisposti in modo
56
1000
da segnalare l’esaurimento
55
54
del combustibile immagazzi800
53
nato nelle bombole, analo600
52
gamente a quanto accade
51
400
n e l f u n ziona m e nto di un
Rated Power
50
gruppo elettrogeno. Per
Battery
Voltage
200
49
acquisire i dati sull’energia
48
0
erogata dalle celle a combustibile è stato impiegato un
contatore di energia direttamente collegato all’ingresso
della stazione di energia.
Le prove sono state eseFIGURA 3› Andamento di tensione e potenza generata.
guite mediante il distacco
della rete elettrica con l’avvio delle celle a combustibile in maniera automatica,
in funzionamento continuo fino allo spegnimento
prova è stata ulteriormente diversificata per
per esaurimento dell’idrogeno. La taratura del
quanto riguarda i tempi di erogazione delle celle
manometro della soglia di allarme, che segnala la
a combustibile in modo da ottenere una casifine del combustibile, ha permesso, inoltre, di valustica più ampia e ulteriori risultati sperimentali.
tare - tramite la registrazione dell’istante in cui è
• Il sito di Calavino è stato volutamente lasciato
stato trasmesso il segnale al centro di supervisione
inattivo per un mese in modo da collaudare il
di Telecom Italia - l’autonomia residua del pacco
sistema di avvio automatico delle celle a combombole e quindi il tempo disponibile, in caso di
bustibile che permette il controllo periodico di
erogazione continua, per effettuare la sostituzione
check-up e, allo stesso tempo per valutare il
del pacco bombole. (Questa soglia può essere precomportamento del sistema dopo un periodo di
disposta su valori di livello diverso, a seconda della
inattività prolungata.
difficoltà di accesso alla specifica centrale).
I risultati sperimentali raccolti in questa fase
sono esposti nella tabella 3:
Al termine di questa fase si è riscontrato, dunCentrale di Vezzano
que, che le celle hanno funzionato con continuità
190 bar
Pressione iniziale
per tutto l’intervallo richiesto e che nei tre casi esadopo 70 h 27 min
Invio allarme
minati il rendimento era in linea, con un certo margine, con il valore indicato nelle specifiche del
dopo 79 h 10 min
Spegnimento del sistema
sistema.
117,6 kWh
Totale energia prodotta
I valori rilevati differiscono fra loro leggermente
38,4 %
Efficienza elettrica impianto
per la difficoltà oggettiva di acquisire, come si è
Centrale
di
Calavino
detto, il valore preciso della pressione di stoccaggio del gas nelle bombole all’inizio delle prove che
195 bar
Pressione iniziale
porta a una stima un po’ approssimata del potendopo 72 h 04 min
Invio allarme
ziale energetico immagazzinato nel pacco bomdopo 77 h 16 min
Spegnimento del sistema
bole.
POWER [W]
CELLE ok
131,7 kWh
Efficienza elettrica impianto
40,6 %
50 min
40 min
33 min
20 min
16 min
11 min
2 min
0
• Risultati Fase 3
In questa fase della sperimentazione, per ottenere un numero maggiore di rilevazioni di parametri
differenti, si è deciso di diversificare il tipo delle
prove nelle tre centrali.
Il programma è stato quindi così articolato:
• Nella centrale di Vezzano sono state effettuate
per l’intera durata della sperimentazione le
prove di seguito commentate.
• Nel sito di Mattarello sono state eseguite prove
di accensione delle macchine da remoto, dopo
aver predisposto un sistema di distacco automatico della rete elettrica pubblica. Questa
Totale energia prodotta
Centrale di Vezzano
Pressione iniziale
175 bar
Invio allarme
dopo 24 h 08 min
Spegnimento del sistema
dopo 30 h 57 min
Totale energia prodotta
116,6 kWh
Efficienza elettrica impianto
39,1 %
TABELLA 3› II risultati delle prove relativi alla fase 2.
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CALZETTI › GROSSONI › TORRELLI • Sperimentazione in campo: Fuel Cell come back-up di potenza per le centrali
Le prove hanno evidenziato come le celle a
combustibile abbiano risposto in maniera positiva
alle varie prove realizzate sia in caso di rapidi transitori che nella condizione limite di ricarica dopo
scarica profonda del pacco batterie. A titolo di
esempio nella figura 4 seguente è evidenziato il
comportamento del sistema installato presso il sito
di Vezzano durante una delle prove effettuate:
POWER [W]
2400
2300
2200
2100
2000
1900
1800
1700
1600
1500
1400
1300
1200
1100
1000
900
800
700
600
500
400
300
200
100
0
0
21 min 27 min
FIGURA 4› Potenza generata nel sito di Vezzano.
• Un’accensione ogni ora (dalle 08.00 alle 16.00)
della durata di 15 min. ciascuna (14-15-16-17
febbraio 2006).
• Un’accensione ogni ora (dalle 08.00 alle 16.00)
della durata di 30 min. ciascuna (20-21-22-23
febbraio 2006).
• Un’accensione ogni ora (dalle 08.00 alle 16.00)
della durata di 45 min. ciascuna (27-28 febbraio; 1-2marzo 2006).
Il comportamento della
tensione e potenza generata
è illustrato nelle figure 5 e 6:
Le prove hanno mostrato
che i sistemi entravano in
servi zi o o g n i v o lt a c he
veniva dato il comando
automatico di mancanza
rete permettendo, quindi, di
rilevare un’affidabilità in
campo particolarmente elevata.
Le prove, realizzate nell’arco di sei mesi, hanno
permesso di testare le celle
a combustibile in condi52 min
zioni climatiche diverse: sia
con temperatura ambiente
prossima a 0°C che di circa
30°C (all’interno dei siti
designati). In tutte le situazioni i sistemi hanno riportato un comportamento
rispondente alle richieste operative.
Nella centrale di Calavino le celle sono state
lasciate in stand-by, come si è detto, per trenta
giorni e, allo scadere del mese, è stato verificato in
loco la corretta accensione dei sistemi. Per dare
maggiore valenza alla prova e per valutare i tempi
di reazione dei sistemi, dopo la corretta partenza
Si può inoltre notare come la cella reagisca in
modo presocché istantaneo alle variazioni di
carico: le celle in esame, infatti, disconnesse per
una seconda volta dal carico (dopo 27 minuti dall’inizio della prova) hanno impiegato qualche minuto
a riportarsi a pieno carico in maniera lineare e
senza fluttuazioni nell’erogazione.
È stata inoltre verificato il
corretto funzionamento del
sistema di avvio automatico
55
per basso livello di batterie.
54,5
La possibilità sia di regolare
54
la soglia di tensione tam53,5
p o n e s i a la te nsione di
53
a c c e n s i o ne de i siste mi,
52,5
inducono a considerare l’in52
stallazione dei sistemi senza
la necessità di connessione
51,5
ai contatti puliti di man51
canza rete per l’avvio dei
50,5
sistemi. Il solo monitoraggio
50
della tensione di batteria
49,5
rappresenta un sistema suf49
ficiente di gestire l’impianto
48,5
di backup ad idrogeno.
Le prove periodiche ave48
vano lo scopo di stressare i
sistemi mediante una prova
accelerata secondo la
seguente tabella della
FIGURA 5› Andamento della tensione (un’accensione per 30 minuti ogni ora): dettaglio di una giornata.
durata complessiva di 3 settimane:
8.01
8.11
8.21
8.31
9.07
9.17
9.27
10.03
10.13
10.23
10.33
11.03
11.19
11.29
12.05
12.15
12.25
12.35
13.11
13.21
13.32
14.07
14.17
14.27
15.03
15.13
15.23
15.33
16.09
16.19
16.29
VOLTAGE [V]
CELLE ok
52
NOTIZIARIO TECNICO TELECOM ITALIA › Anno 15 n. 2 - Settembre 2006
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15:50
Pagina 53
10. Conclusioni
FIGURA 6› Andamento della potenza (un’accensione per 30 minuti ogni ora): dettaglio di una giornata.
2400
54
2200
53,5
2000
53
1800
52,5
1600
52
1400
51,5
1200
51
VOLTAGE [V]
• Risultati Fase 4
La ripetizione delle prove
re a l i z z a te ne lla fa se 3,
installando un pacco batterie di più modesta capacità
(150 Ah) ha portato all’ottenimento di risultati simili.
La rapidità nella risposta
delle macchine e nel raggiungimento delle condizioni
nominali di funzionamento
non determina una scarica
eccessiva del pacco batterie
durante il transitorio di
accensione.
5000
4800
4600
4400
4200
4000
3800
3600
3400
3200
3000
2800
2600
2400
2200
2000
1800
1600
1400
1200
1000
800
600
400
200
0
8.01
8.15
8.28
8.42
9.06
9.20
9.34
9.47
10.12
10.25
10.39
11.03
11.17
11.31
11.44
12.09
12.22
12.36
12.50
13.14
13.28
13.42
14.06
14.19
14.33
14.47
15.10
15.24
15.38
16.01
16.15
16.29
16.42
delle celle a combustibile, è
stata disinserita manualmente l’erogazione della
rete elettrica. In questo
modo le celle sono state
forzate a raggiungere le
condizioni di erogazione a
pieno carico. Come si può
osservare dal grafico di
figura 7, i sistemi si sono
comportati in maniera corretta raggiungendo rapidamente le condizioni nominali
di carico (15 minuti).
POWER [W]
CALZETTI › GROSSONI › TORRELLI • Sperimentazione in campo: Fuel Cell come back-up di potenza per le centrali
POWER [W]
Al termine della speri1000
50,5
mentazione è possibile rilevare che l’esito delle prove è
800
50
da considerarsi positivo e
600
49,5
che l’integrazione dei
Power
400
49
sistemi di backup a celle a
Voltage
combustibile nelle stazioni di
200
48,5
energia di Telecom Italia è
0
48
risultato rispondente alle
caratteristiche dichiarate.
Inoltre non sono stati messi
in rilievo malfunzionamenti o
FIGURA 7› Accensione delle celle dopo un mese di inattività delle stesse.
anomalie transitorie.
Questa sperimentazione
ha permesso di individuare
una serie di prove significative da effettuare all’atto
e sopperiscono alla mancata erogazione di alidel collaudo delle macchine e in corso di esercizio.
mentazione causata dall’avaria nell'attesa che
Dalle prove sono anche emersi alcuni aspetti
quest’ultima venga eliminata.
caratteristici quali quelli riportati qui di seguito:
• Rumore sulle barre di alimentazione: attraverso
• Affidabilità: le celle a combustibile hanno semuna prova specifica è stata verificata la genepre risposto in maniera corretta al segnale di
razione di un rumore elettrico medio (ripple) di
accensione. L’affidabilità del sistema è risultata
7,2 mV con valore picco-picco pari a 22 mV.
quindi essere molto elevata.
La sperimentazione realizzata ha dimostrato
• Interazione con le altre apparecchiature di cenche i sistemi a celle a combustibile rappresentano
trale: le celle a combustibile sono in grado di
un’alternativa valida dal punto di vista tecnico alle
rispondere in maniera corretta sia in caso di
soluzioni tradizionali: il servizio che tali sistemi
mancanza rete sia nella situazione anomala di
sono in grado di offrire rappresenta un backup di
guasto ai raddrizzatori di centrale. In questo
alta qualità che minimizza la manutenzione e la
caso, infatti, in conseguenza della progressiva
gestione degli impianti. Inoltre, è da tenere sempre
scarica del pacco batterie, le celle intervengono
in considerazione il fattore ecologico favorevole:
1517
1518
1519
1520
1521
1522
1523
1524
1525
1526
1527
1528
1529
1530
1531
1532
1533
1534
1535
1536
1537
1538
1539
1540
1541
1542
1543
1544
1545
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1547
1548
1549
CELLE ok
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CALZETTI › GROSSONI › TORRELLI • Sperimentazione in campo: Fuel Cell come back-up di potenza per le centrali
riduzione dell’impatto ambientale dovuto alle batterie ed ai gruppi elettrogeni; eliminazione dello
smaltimento di rifiuti tossico/nocivi quali piombo e
acido solforico; assenza di emissioni nocive da
gruppi elettrogeni (ossidi di azoto, biossido di
zolfo, monossido di carbonio, anidride carbonica,
particolato) per la certificazione verde e la ecocompatibilità degli impianti; introduzione di un
sistema innovativo in alternativa all’acquisizione di
energia elettrica.
Più in generale, la soluzione a celle a combustibile rappresenta allo stato attuale della tecnologia una soluzione interessante in situazioni ove il
backup da garantire è di entità consistente. Il
trend di sviluppo, conseguentemente anche alla
diffusione della tecnologia ad idrogeno e quindi
all’instaurarsi di un’economia di scala, dovrebbe
portare alla diminuzione dei costi e all’abbassamento della soglia di convenienza dei sistemi a
celle a combustibile.
Telecom Italia, al termine della sperimentazione,
intende estendere il progetto ad altri venti siti sul
territorio italiano al fine di avere una casistica più
estesa del comportamento in campo dei sistemi
con celle a combustibile. Se anche in questo caso i
risultati saranno positivi sarà pianificato un’ulteriore allargamento del numero delle istallazioni.
[email protected]
[email protected]
[email protected]
Per il supporto operativo avuto dai colleghi
dell’Energy System Area Nord Est, gli autori ringraziano Gianluigi Bacilieri, Amerigo Agostini, Giuliano
Cerello.
54
NOTIZIARIO TECNICO TELECOM ITALIA › Anno 15 n. 2 - Settembre 2006
Giuseppe Calzetti si è laureato nel
1989 in Ingegneria Elettrotecnica presso
l’Università degli Studi di Roma “La Sapienza”
con assegnazione di un premio di laurea dalla
A.S.T.EN. (Associazione Scientifica per lo
sviluppo delle Tecnologie Energetiche). Nel
1990 ha ottenuto l’abilitazione per l’esercizio
della professione di ingegnere. Dopo una
breve collaborazione con il Dipartimento di
Ingegneria Elettrica della “Sapienza” di Roma
e prestazioni da libero professionista, nel 1990 ha iniziato la sua
attività in SIP (oggi Telecom Italia) nella struttura di Pianificazione
della Rete occupandosi dei Piani di Struttura Interdistrettuali. Dal
1992 opera nel Settore dei Sistemi di Alimentazione e
Condizionamento per apparati di TLC occupandosi sia delle
architetture impiantistiche di sistema che degli sviluppi innovativi e
della accettazione dei sistemi di alimentazione per le TLC; redige i
relativi Capitolati Tecnici per la Fornitura in Opera. Partecipa a Enti
e Organismi di normazione e standardizzazione, in particolare il
CEI. Ha all’attivo numerose docenze preparando corsi specifici
sui Sistemi di Alimentazione per TLC. Si è sempre impegnato per
gli aspetti di: impatto ecologico, risparmio energetico e sistemi di
energia alternativa (fotovoltaica, eolica, cogenerazione, celle a
combustibile, autoveicoli elettrici).
M a u r i z i o G r o s s o n i si è laureato in
ingegneria elettrotecnica e ha ottenuto
l’abilitazione per l’esercizio della professione di
ingegnere presso l’Università “La Sapienza di
Roma”. Ha conseguito il Master in
telecomunicazioni presso il Politecnico di
Torino. Dopo aver lavorato presso alcune
Società di Ingegneria ed essersi dedicato
all’insegnamento universitario, nel 1975 è
entrato a far parte della SIP (oggi Telecom
Italia), dove è stato assegnato al comparto Sistemi di Energia. In
tale comparto ha ricoperto vari incarichi sino a divenire
responsabile del settore “ Ingegneria e Sviluppo Impianti”. Dal 2005
ha lasciato Telecom Italia, mantenendo con la stessa un rapporto di
consulenza, per dedicarsi alla libera professione e all’insegnamento
universitario. È membro CEI, chairman del TCEE (Technical
Committee Environmental Engineering) dell’ETSI e Presidente del
Comitato Organizzatore per l’INTELEC 2007 di Roma. Ha al suo
attivo più di cento pubblicazioni.
A r i s t i d e To r r e l l i ha conseguito la
laurea in Ingegneria Elettronica presso
l’Università “La Sapienza” di Roma nel 1987 e
l’abilitazione all’esercizio della professione di
ingegnere. Dopo un breve periodo come
progettista di sistemi TLC navali, ha iniziato la
sua attività in SIP (oggi Telecom Italia). È stato
responsabile esercizio impianti nelle agenzie,
Reti Speciali Commutate, Traffico e Previsioni
nella Pianificazione di Rete, Qualità nella DTRT
Roma. In questo ruolo ha guidato quella struttura alla
certificazione ISO 9001. Nel 2002 passa ad operare nei Sistemi
d’Alimentazione come responsabile di uno dei nuclei territoriali.
Porta il suo nucleo alla certificazione ISO 14001 nel 2003.
Dall’ottobre 2005 opera nella struttura centrale dell’Energy
System, nel settore Engineering & Technical Rules.