Quello
che bisogna sapere sul boiler elettrico
I valori di rendimento di un boiler elettrico ( inteso come macchina termica ) sono da considerarsi, mediamente, al di sotto del 40 %. L'utilizzo
di energia termica per produrre acqua sanitaria comprende una doppia trasformazione. In una prima fase occorre produrre energia elettrica
( tipicamente, in centrali termoelettriche ). L'energia elettrica prodotta, poi, trasportata all'utenza, dovrà a sua volta trasformarsi in energia
termica per effetto Joule ( trasferimento di calore ) per essere conferita all'acqua. Per produrre con uno scaldabagno elettrico 1500 Kcal
( 1,7 KWh termici ) sono necessari circa 1,94 KWh elettrici, avendo stimato l'efficienza di conversione dello scaldabagno elettrico pari al 90%.
Mediamente, una famiglia di quattro persone utilizza, quindi, 7,74 KWh elettrici al giorno per la produzione di acqua calda sanitaria. Ma è da
considerare che, per la produzione di ogni KWh elettrico, vengono consumati, alla centrale elettrica, circa 2,54 KWh, sotto forma di energia
primaria. Da questa doppia trasformazione da energia primaria in energia elettrica e da elettrica a termica, emerge che, per produrre l'acqua
calda ( in un giorno ) e che soddisfi il fabbisogno pro capite, sono necessarie 2,54 x 1,94 = 4,93 KWh primari equivalenti a 4.240 Kcal. In tal
modo solo il 35% dell'energia primaria consumata viene effettivamente utilizzata dall'utente. Nel caso, poi, di una famiglia di quattro persone,
si arriva a consumare 16.960 Kcal/giorno, pari a 17,72 KWh ( termici ).
Le celle a combustibile sono sistemi elettrochimici capaci di convertire l'energia chimica di un combustibile (in genere idrogeno) in energia
elettrica, senza l'intervento di un ciclo termico, ottenendo rendimenti di conversione più elevati rispetto a quelli di macchine termiche
convenzionali.
La nascita delle celle a combustibile risale al 1839, anno in cui l'inglese William Grove riportò i risultati di un esperimento nel corso del quale
era riuscito a generare energia elettrica in una cella contenente acido solforico, dove erano stati immersi due elettrodi, costituiti da sottili fogli
di platino, sui quali arrivavano rispettivamente idrogeno ed ossigeno. Una cella a combustibile funziona in modo analogo ad una batteria, in
quanto produce energia elettrica attraverso un processo elettrochimico; tuttavia, a differenza di quest'ultima, consuma sostanze provenienti
dall'esterno ed è quindi in grado di funzionare senza interruzioni, finché al sistema viene fornito combustibile (idrogeno) ed ossidante
(ossigeno
o aria).
Conversione di energia: La cella è composta da due elettrodi in materiale poroso, separati da un elettrolita. Gli elettrodi fungono da siti
catalitici per le reazioni di cella che consumano fondamentalmente idrogeno ed ossigeno, con produzione di acqua e passaggio di corrente
elettrica nel circuito esterno. L'elettrolita ha la funzione di condurre gli ioni prodotti da una reazione e consumati dall'altra, chiudendo il circuito
elettrico all'interno della cella. La trasformazione elettrochimica è accompagnata da produzione di calore, che è necessario estrarre per
mantenere costante la temperatura di funzionamento della cella. Una singola cella produce normalmente una tensione di circa 0,7 V e correnti
comprese tra 300 e 800 mA/cm2, quindi per ottenere la potenza ed il voltaggio desiderato più celle sono disposte in serie, a mezzo di piatti
bipolari, a formare il cosiddetto "stack". Gli stack a loro volta sono assemblati in moduli, per ottenere generatori della potenza richiesta.
Esistono diverse tecnologie di cella, con diverse caratteristiche e diverso grado di sviluppo. Normalmente le celle vengono classificate sulla
base
dell'elettrolita utilizzato (celle alcaline, ad elettrolita polimerico, ad acido
fosforico, a carbonati fusi, ad ossidi solidi) o alla temperatura di
funzionamento (celle a bassa e alta temperatura). L'elettrolita determina o
condiziona fortemente:
-
il
campo di temperatura operativo
-
il
tipo di ioni e la direzione in cui diffondono attraverso la cella
-
la
natura dei materiali costruttivi
-
la
composizione dei gas reagenti
-
le
modalità di smaltimento dei prodotti di reazione
-
le
caratteristiche di resistenza meccanica e di utilizzo
-
la
vita della cella.
Principali
tipi di celle al combustibile:
Celle alcaline (AFC, Alkaline Fuel Cell), che usano un elettrolita costituito da idrossido di potassio ed operano a temperature intorno a 120 °C.
Hanno raggiunto un buon grado di maturità tecnologica soprattutto per usi speciali (applicazioni militari e spaziali); Le loro caratteristiche
(richiedono gas di alimentazione estremamente puri) ne hanno limitato fortemente la diffusione, tanto che oggi non vi sono programmi di
sviluppo
in corso.
Celle ad elettrolita polimerico (PEFC, Polymer Electrolyte Fuel Cell), che usano come elettrolita una membrana polimerica ad elevata
conducibilità protonica e funzionano a temperature comprese tra 70 e 100 °C; sono sviluppate soprattutto per la trazione e la
generazione/cogenerazione
di piccola taglia (1-250 kW).
Celle ad acido fosforico (PAFC, Phosphoric Acid Fuel Cell), che operano a temperature prossime ai 200 °C con un elettrolita costituito da una
soluzione concentrata di acido fosforico; rappresentano la tecnologia più matura per gli usi stazionari, con commercializzazione già avviata per
le
applicazioni di cogenerazione nei settori residenziale e terziario (100-200 kW).
Celle a carbonati fusi (MCFC, Molten Carbonate Fuel Cell), che usano come elettrolita una soluzione di carbonati alcalini fusa alla temperatura
di funzionamento della cella (650 °C) e contenuta in una matrice ceramica porosa; sono promettenti soprattutto per la generazione di energia
elettrica
e la cogenerazione da qualche centinaio di kW ad alcune decine di MW.
Celle ad ossidi solidi (SOFC, Solid Oxide Fuel Cell), che funzionano a temperatura elevata (circa 900-1000 °C) per assicurare una conducibilità
sufficiente all'elettrolita, costituito da materiale ceramico (ossido di zirconio drogato con ossido di ittrio); come le celle a carbonati, sono
promettenti
soprattutto per la generazione di energia elettrica e la cogenerazione da
qualche KW ad alcune decine di MW.
Celle a metanolo diretto (DMFC, Direct Methanol Fuel Cell), che operano a temperature tra 70 e 120 °C e come le PEFC utilizzano come
elettrolita
una membrana polimerica. Sono ancora nello stadio di ricerca di laboratorio.
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