Una innovativa cella a combustibile, prodotta in Italia e alimentata esclusivamente a idrogeno, ha trasformato un edificio residenziale sperimentale da nZEB (Nearly Zero Energy Building) a HZEB (Hydrogen Zero Emission Building).
Entrata in funzione nel luglio scorso, l’evoluta fuel cell sviluppata da SolydEra costituisce una fondamentale implementazione tecnologica per l’nZEB, già operativo da quattro anni e mezzo presso la Residenza Universitaria di Benevento. Il progetto, unico in Italia, è di estremo interesse nell’ottica della transizione energetica per gli edifici residenziali e non solo. Con la sua trasformazione in HZEB, il Dimostratore rappresenta la prima sperimentazione italiana dell’uso dell’idrogeno in ambito residenziale.
La cella a combustibile è infatti un vero e proprio micro-cogeneratore che, nonostante svolga la funzione di back-up per gli impianti di climatizzazione ed elettrici dell’edificio, consentirà al team di docenti, ricercatori e studenti di testare dal vivo caratteristiche e potenzialità di una tecnologia estremamente promettente dal punto di vista energetico e ambientale, anche ai fini dell’affrancamento della dipendenza dall’importazione dei combustibili fossili.
Mostra e dimostra
Nato come intervento “dimostratore” in scala reale del progetto di ricerca SMARTCASE (Soluzioni innovative MultifunzionAli peR l’otTimizzazione dei Consumi di energiA primaria e della vivibilità indoor nel Sistema Edilizio), l’nZEB è stato sviluppato dal Distretto tecnologico STRESS sotto il coordinamento scientifico del prof. Giuseppe Peter Vanoli (Università degli Studi del Molise).
Obiettivo del Dimostratore è permettere la sperimentazione tecnica e operativa del funzionamento di un edificio a bassissimo consumo, finalizzata anche alla definizione di standard e linee di indirizzo per la realizzazione di edifici ad energia quasi zero in climi mediterranei, e fornire risposte innovative alle mutate condizioni contemporanee dell’abitare sul piano dell’architettura, della tecnologia e degli impianti. Il Dimostratore è infatti un “living lab” completamente domotizzato e monitorato, per studiarne prestazioni, criticità e potenzialità in tempo reale e per formare nuove figure professionali sulle tematiche energetiche. La progettazione esecutiva edile e impiantistica del Dimostratore sono state curate dalla società Graded (Napoli).
L’installazione della nuova cella a combustibile è l’esito della collaborazione nata fra STRESS e SolydEra nell’ambito di H2IT (Associazione Italiana per l’Idrogeno e Celle a Combustibile), nel contesto della gestione congiunta dell’nZEB da parte di STRESS e Università degli Studi del Sannio. Gli impianti dell’HZEB sono stati progettati da STRESS e UniMolise. I due studenti che abitano semestralmente l’edificio sono selezionati fra quelli meritevoli che partecipano al corso interuniversitario istituito da UniMolise, UniSannio e Università degli Studi di Cassino e del Lazio Meridionale. L’HZEB assume perciò una valenza estremamente significativa, anche nei confronti dell’accettabilità sociale delle tecnologie dell’idrogeno, ad esempio, rispetto al tema della sicurezza.
«La collaborazione virtuosa fra STRESS e l’Università del Sannio si è irrobustita grazie all’accordo stipulato con SolydEra, che rappresenta un’occasione per il posizionamento del Mezzogiorno a livello nazionale nell’adozione di tecnologie “carbon free” basate sull’idrogeno. L’HZEB permetterà l’esecuzione di test sperimentali, fra cui misure per valutare l’efficienza della fuel cell in condizioni reali di funzionamento e verifiche sulle sue prestazioni nelle prime fasi operative. Inoltre, potranno essere messi in campo anche profili di carico standardizzati e definiti a priori. Saranno valutate le prestazioni della fuel cell anche a carico parziale, studiandone l’inerzia alla modulazione del carico. Un’altra linea di ricerca riguarda l’ottimizzazione dell’impiego degli accumuli, termici ed elettrici, anche per mezzo di analisi predittive delle condizioni climatiche, contribuendo in maniera sperimentale alla diagnostica predittiva della fuel cell». – Ing. Alberto Zinno – STRESS L’edificio in sintesi
Il Dimostratore è un nZEB isolato (superficie ~71 m2; volume climatizzato ~188 m3) situato nel giardino della residenza universitaria beneventana. Gli ambienti comprendono soggiorno, cucina, due camere, bagno, locale tecnico, deposito per biciclette e un porticato, disposti su un unico livello, e accolgono due studenti dell’Università degli Studi del Sannio.
Nella progettazione dell’nZEB è stata posta particolare attenzione al suo funzionamento passivo. Il progetto è stato infatti sviluppato secondo strategie progettuali orientate alla sostenibilità ambientale, alla riduzione dei consumi energetici e all’ottimizzazione del sistema involucro-impianti, con l’obiettivo di massimizzare le prestazioni dell’unità residenziale e la qualità architettonica – considerando perciò orientamento, forma, irraggiamento solare, soluzioni costruttive e impiantistiche ad alte prestazioni, impiego esclusivo di fonti rinnovabili, ecc.
L’involucro edilizio è realizzato con strutture prefabbricate in legno (sistema X-Lam), impostate su un basamento in calcestruzzo armato e isolate da pannelli in fibra di legno (spessore totale; 19 cm per le pareti; 10 cm per la copertura) e xps (8 cm per il pavimento). Ampie e molto performanti dal punto di vista termico, i serramenti in pvc (Uw 1,17 W/m2K) ottimizzano il ricorso all’illuminazione naturale.
Cogenerazione a basse emissioni
La cella a combustibile installata presso il Dimostratore è un micro-cogeneratore modulare del tipo SOFC (Solid Oxide Fuel Cell), modello BLUEGEN Hydro, prodotto da SolydEra per l’impiego in edifici residenziali e commerciali, che nel Dimostratore svolge una funzione di integrazione e back-up rispetto ai sistemi energetici preesistenti.
Le potenze sono nell’ordine di 1,0 kWe (max 1,2 kWe, a 230 V AC e a 50 Hz) e, grazie al recupero termico (T max 80 °C), di 0,86 kWt (a 1,0 kWe, con T ritorno dell’acqua a 30 °C). La cella a combustibile è alimentata con idrogeno (consumo indicativo annuo di 17.500 kWh a 1,0 kWe di potenza) erogato da una centrale di decompressione delle bombole situata all’esterno della centrale tecnologica. Negli stacks la reazione fra idrogeno e ossigeno atmosferico produce energia elettrica (efficienza fino al 50%) e calore (efficienza totale 90%).
a combustibile
L’integrazione con l’impianto elettrico è appannaggio di un innovativo inverter ibrido, in grado di gestire la nuova fuel cell, l’impianto fotovoltaico esistente e le 2 nuove batterie d’accumulo (ciascuna 5,8 kWh) che hanno sostituito quella preesistente. L’energia termica è utilizzata per la produzione dell’ACS: l’impianto dedicato è composto da tubazioni isolate (¾”), elettropompa di circolazione (2 l/min), vaso di espansione (4 l) e bollitore (200 l). È prevista l’installazione di un secondo bollitore, in modo da utilizzarle separatamente gli accumuli (per la fuel cell e per l’impianto solare termico esistente) con collegamento in serie o in parallelo (per mezzo di valvole a 3 vie), in base alle esigenze di ricerca.
Per l’installazione della fuel cell (solo in ambienti chiusi, con temperatura interna compresa fra 5÷45 °C) sono necessarie forniture continue di elettricità (in bassa tensione), gas (pressione 15÷25 mbar) e acqua (pressione minima 1 bar; durezza < 12 °dH / 21 °fH; consumo 15 l al giorno), oltre a una connessione internet stabile. In queste condizioni la cella a combustibile può funzionare in continuo indipendentemente dai fattori climatici esterni (24/24 h per 365 giorni/anno), singolarmente o in cascata con altre fuel cell.
Le emissioni in atmosfera (max 120 °C) consistono in vapore acqueo, senza CO2, SOx, NOx e polveri sottili. Attualmente sono quasi 3.000 i sistemi a celle a combustibile SolydEra installati in oltre 20 paesi. Il funzionamento è controllabile anche da remoto mediante un’app dedicata. L’intervallo di manutenzione è di 12 mesi.
«Siamo entusiasti dell’opportunità di installare il nostro primo cogeneratore funzionante a idrogeno a Benevento. Si tratta di una soluzione che supporta il processo di elettrificazione in corso, riducendo il carico sulla rete elettrica prodotto dall’aumento delle rinnovabili e dei consumi elettrici legati alle ricariche elettriche e alle pompe di calore. L’impiego dell’idrogeno è una delle soluzioni più promettenti per la decarbonizzazione del mercato energetico. In alcune applicazioni industriali è l’unica opzione percorribile e nell’edilizia civile è un’opzione estremamente interessante per la generazione distribuita di energia elettrica e calore, sia in miscela con il gas naturale, sia come idrogeno puro». – Ing. Massimo Bertoldi – SolydEra - uno scambiatore di calore acqua/aria (potenza 0,6 kW; portata acqua 0,2 l/s; portata aria 100 m3/h) con circolatore dedicato, alimentato dal campo geotermico e dal collettore solare termico con possibilità di funzionamento in free-cooling;
- un aggregato compatto a pompa di calore equipaggiato con recuperatore di calore termodinamico, di potenza pari a 3,18 kWt (SCOP 3,83) e 2,14 kWf (SEER 2,53), che copre il fabbisogno di riscaldamento e raffreddamento, VMC con deumidificazione, purificazione dell’aria e produzione dell’ACS (durante il periodo estivo), più 2 accumuli termostatici (180 l complessivi).
Il campo geotermico è formato da sonde orizzontali interrate (lunghezza circa 100 m; profondità circa 2 m) percorse da una miscela acqua-glicole a circa 16 °C che, durante l’intero arco dell’anno, attuano il pre-riscaldamento/pre-raffrescamento dell’aria in ingresso all’aggregato compatto. In caso di necessità o convenienza, durante il periodo invernale il collettore solare termico può contribuire al pre-trattamento dell’aria.
È presente anche un impianto VRV canalizzato, con funzione di integrazione e backup, di potenza pari a 4,25 kWt (SCOP 4,04) e a 3,5 kWf (SEER 7,43), composto da motocondensante e 2 split che utilizzano R32. Il comfort termogrometrico è garantito da una rete aeraulica dimensionata per mantenere la velocità dell’aria entro i 4,5 m/s.
Sistemi di monitoraggio
Il Dimostratore è equipaggiato con un avanzato BMS e con tecnologie domotiche: “cuore” del sistema è un hub connesso a internet, controllabile da remoto via web o mediante una app, per aprire/chiudere serrature e serramenti, gestire gli impianti di climatizzazione e illuminazione, comandare spegnimento e accensione di luci e prese elettriche, controllare i sensori in funzio ne delle condizioni climatiche esterne e delle previsioni meteo.
I dati relativi alle condizioni ambientali e climatiche, all’uso e al funzionamento del Dimostratore sono rilevati da blocchi di sensori che, negli ambienti interni, sono replicati in ogni locale per misurare:
- temperatura dell’aria e delle superfici (interna ed esterna) e umidità dell’aria;
- spettro delle radiazioni infrarosse nell’atmosfera e radiazione solare incidente in perpendicolare sulle pareti di interfaccia (interna ed esterna);
- qualità dell’aria;
- illuminamento;
- presenza.
L’efficienza energetica è misurata mediante contatori per ACS, sistema geotermico, impianto solare termico e qualità dell’aria nelle canalizzazioni, distribuiti nelle diverse sezioni elettriche dell’appartamento, oltre alla stazione climatica. Tutti i consumi e gli apporti di energia sono monitorati attraverso l’invio dei dati al sistema centrale di controllo, per l’integrazione con i processi di ottimizzazione energetica.
Il BMS fornisce agli utenti la possibilità di attivare e pianificare una serie di processi studiati appositamente per ottimizzare l’utilizzo degli impianti di illuminazione, climatizzazione e ventilazione. Un pannello luminoso facilita l’interazione con gli utenti, mediante il cambiamento cromatico dei punti luce LED che segnalano la situazione dei consumi elettrici, le caratteristiche termoigrometriche e la qualità dell’aria (concentrazione di VOC e CO2).
La qualità dell’aria è affidata a un sistema di filtrazione elettronica (efficienza 99%) costituito da un filtro a carboni attivi, posto sul condotto di aspirazione, e da uno ionizzatore, che rimuovono tutte le tipologie di inquinanti indoor (particolato, microorganismi, gas, odori, ecc.). La contenuta perdita di carico appannaggio del filtro (-20% rispetto a un filtro tradizionale) consente di operare a bassa velocità minimizzando il consumo elettrico.
Il pre-riscaldamento per la produzione dell’ACS è normalmente demandato a un collettore solare termico a tubi sottovuoto (1,2 kW; superficie captante 2,16 m2), situato sulla copertura del locale tecnico, con relativa centralina e circolatore, che riforniscono un bollitore (180 l) con vaso d’espansione e, nel periodo invernale, contribuiscono all’integrazione del fabbisogno termico per la climatizzazione.
L’impianto di illuminazione comprende corpi illuminanti intelligenti e un bridge wireless che permette il controllo remoto e il monitoraggio dello stato da parte del BMS. Il sistema domotico è orientato all’impiego di tecnologie IoT che facilitano il controllo delle apparecchiature installate, anche da remoto.
L’elettricità è prodotta da un campo fotovoltaico (5,3 kWp; produzione annua 6.208 kWh) situato sulla copertura piana dell’edificio, composto da 16 moduli al silicio monocristallino con orientamento 0° e tilt 5°, e da un inverter da 5 kW che alimenta le utenze e la l’accumulatore elettrochimico, gestito secondo logiche di controllo intelligenti. In questo modo il Dimostratore nZEB risulta un edificio completamente indipendente dal punto di vista energetico.
«L’unica risposta credibile ai problemi del cambiamento climatico, dell’inquinamento dell’aria e dell’approvvigionamento energetico da paesi terzi è un totale cambio di paradigma. Rinnovabili, efficienza e risparmio energetico, accumulo, elettrificazione dei consumi e idrogeno verde, come vettore energetico versatile e a emissioni zero in tutti i settori, saranno i protagonisti della rivoluzione energetica di questo secolo. Con l’HZEB di Benevento entriamo in pieno in questa rivoluzione, con il solo limite di non disporre ancora di idrogeno verde. La specificità della cella a combustibile che stiamo testando consiste proprio nel fatto che è alimentata solo con idrogeno, invece che con metano o con miscele metano/ idrogeno». – Ing. Angelo Moreno – Responsabile scientifico HZEB Qualche riflessione
Dal punto di vista energetico, in generale l’installazione di una cella a combustibile è particolarmente indicata nel caso di edifici con un fabbisogno di elettricità e calore costante nel tempo, possibilmente in abbinamento con impianti a fonti rinnovabili e/o con sistemi di stoccaggio elettrico e termico.
Attualmente la diffusione delle fuel cell per la micro-cogenerazione è limitata principalmente dall’elevato costo della tecnologia. Alcuni recenti progetti di ricerca europei (ENE-FIELD, PACE) hanno testato le potenziali applicazioni in ambito domestico e PMI, installando migliaia di unità in numerosi paesi dell’UE (Italia compresa). È però indispensabile sottolineare come l’impiego delle fuel cell consegue i migliori risultati dal punto di vista ambientale solo se si utilizza idrogeno cosiddetto “verde” – ottenuto mediante elettrolisi, utilizzando la sovrapproduzione di energia elettrica da fonti rinnovabili. Al contrario, oggi gran parte dell’idrogeno prodotto nel mondo (prevalentemente per usi industriali) è “grigio” – ottenuto principalmente dallo steam reforming del metano, consumando combustibile fossile – o eventualmente “blu” – abbinando allo steam reforming il sequestro della CO2 emessa durante il processo.
In pratica, il contributo al contenimento delle emissioni climalteranti da parte delle celle a combustibile alimentate a idrogeno potrà dispiegarsi appieno solo quando si utilizzerà solo idrogeno verde. Considerando anche l’attuale congiuntura internazionale, sarebbe quanto mai necessario e urgente creare le condizioni per il rapido sviluppo del mercato di questo combustibile alternativo, iniziando al più presto a:
- incrementare la produzione di elettricità da fonti rinnovabili;
- promuovere sia la conversione dell’energia rinnovabile eccedente in idrogeno verde, sia il relativo stoccaggio;
- sostenere lo sviluppo di una filiera della distribuzione dell’idrogeno verde, anche attraverso sistemi a rete, alla scala nazionale.
In prospettiva, per il Dimostratore di Benevento è stata già prevista la possibilità di installare un elettrolizzatore dedicato alla cella a combustibile, da alimentare con il surplus di elettricità prodotta dal campo fotovoltaico. Si potra così produrre autonomamente e in loco l’idrogeno verde necessario alla completa copertura del fabbisogno energetico dell’HZEB, che risulterà così un edificio “off-grid” a tutti gli effetti.
