Progetto Reti di Laboratori Pubblici di Ricerca
“Produzione integrata di energia da fonti
rinnovabili nel sistema agroindustriale
regionale”
U.R. 6
“Aldo Moro” University of Bari
Department of AgroEnvironmental Sciences (DISAAT)
Sistema integrato per la produzione,
l’accumulo e l’utilizzo di idrogeno da
fotovoltaico in ambito serricolo
Ileana Blanco, Alexandros Anifantis
Giacomo Scarascia Mugnozza, Simone Pascuzzi
Giornata dedicata al Progetto Dimostratore
11 ottobre 2013
LE SERRE: SVANTAGGI
Le serre rappresentano la forma di agricoltura più evoluta in
virtù dell’elevato livello energetico e tecnologico che le
caratterizza.
L’energia necessaria per il riscaldamento in serra varia da 500
a 2700 MJ/(m2 anno), a seconda del sito, della coltivazione,
delle strutture e del controllo climatico.
Le emissioni delle centrali
termiche a servizio delle serre
in Italia rilasciano in atmosfera
più di 1.300.000 t CO2/anno.
Le energie rinnovabili sono una importante risorsa per la
riqualificazione energetico – produttiva del comparto serricolo,
incrementando la sostenibilità e riducendo il carico ambientale.
OBIETTIVI DELLA RICERCA
 Studio
della
fattibilità
sperimentale di produzione di
idrogeno con un elettrolizzatore
alimentato da fonte rinnovabile
di energia (solare fotovoltaico)
 Studio
della capacità
della cella a combustibile
alimentata da idrogeno di
soddisfare la domanda
dinamica di energia per il
riscaldamento di una serra
in ambiente mediterraneo
MODELLO MATEMATICO: microclima serra
L’impianto di riscaldamento è stato dimensionato utilizzando
l’ equazione di bilancio termico per il calcolo del fabbisogno
energetico della serra:
Superficie in pianta della serra
At
48 m2
Superficie della copertura della serra
Ac
120 m2
Volume serra
V
150 m3
Spessore della copertura
Sc
Conducibilità termica della copertura
λc
0,0002 m
0,35 W/m°C
qr
*Ac
=
7200 W
100 %
qc= (Ti -Te)/(1/ hi+Sc/λc+1/ he)
*Ac
=
-2752 W
-38 %
qv= d p (Ji -Je)
*Ac
=
-814 W
-11 %
qt= ht (Ti - Tt)
*At
=
-730 W
-10 %
qt,vc= σ0 εt,IRL τcp,IRL (Tt4-Tvc4)
*At
=
-541 W
-8 %
qcp,vc= σ0 εcp,IRL (Tcp4-Tvc4)
*At
=
-2339 W
-32 %
kg/m3
Densità dell'aria interna,esterna
d
1,293
Rinnovi orari volumi serra
R
3,625 1/h
Calore specifico aria interna,esterna
cp
992 J/kg°C
Velocità del vento esterno
v
3,5 m/s
Coefficiente di trasmissione della copertura
τcp
0,8
Coefficiente di riflessione della vegetazione e del terreno
ρt
0,1
Coefficiente di emissività del terreno all'infrarosso lungo
εt,IRL
0,9
Coefficiente di emissività della copertura all'infrarosso lungo
εcp,IRL
0,6
Coefficiente di trasmissione della copertura all'infrarosso lungo
τcp,IRL
0,125
Coefficiente di trasmissione del corpo nero all'infrarosso lungo
σ0
5,67E-08 W/m2 K4
Coefficiente di convezione fra copertura ed interno
hi
6,5 W/m2°C
Dispersioni
per
irraggiam.
volta celeste
Dispersioni
Coefficiente di convezione fra aria interna e terreno
h
4 W/m °C
per
Temperatura dell'aria esterna
T
7,9 °C
conduzione
Temperatura terreno
T
10 °C
Temperatura dell'aria interna
T
12,7 °C
e copnvez.
Potenza fornita dall'impianto di riscaldamento
Q
7,2 kW
copertura
Circa il 70% del calore prodotto dall’impianto di riscaldamento è
disperso per irraggiamento verso la volta celeste e per conduzione e
convezione attraverso il sistema di copertura della serra.
2
t
e
t
i
r
MODELLO SPERIMENTALE
Riscaldamento, raffrescamento ed
energia elettrica con un impianto
stand-alone
Rete
elettrica
Energia Solare
Contatore
bidirezionale enel
FV: 6 kWp, 24 mod
Contatore di
produzione GSE
Inveter
da rete
300/600 VDC
230 VAC
Pompa di calore, C.O.P.=4.5
elettrolizzatore
Serbatoio idrogeno
Inverter / reg. carica
230 VAC
500 Nl/h
Fuel cells
batterie
Calore “gratuito”
H2 , 30 bar
24/48 VDC
SORGENTE DI CALORE
GEOTERMICA
24/48 VDC
MODELLO MATEMATICO DELL’ELETTROLIZZATORE
Il funzionamento dell’elettrolizzatore è stato modellizzato
utilizzando la legge di Faraday:
ηe = ηF * ηV
efficienza elettrica
dell’elettrolizzatore
ηV = Utn / U
efficienza di tensione
ηF = Melec experimental / Melec theoretical
legge di Faraday
Melec = ηF x Nelec x Ielec /( n x F)
Melec = ηF x Pelec /( U x n x F)
efficienza di Faraday
consumo di potenza
dell’elettrolizzatore
Pelec = Ielec x U x Nelec
[mol sec-1]
RISULTATI e CONCLUSIONI
 Alimentare una serra isolata dotata di pompa di calore
geotermica attraverso un impianto fotovoltaico con
sistema di back up dato dall’accoppiamento di un
elettrolizzatore alcalino e di celle a combustibile PEM è
un’opzione percorribile per innalzare i livelli di
sostenibilità del settore agricolo.