Fattibilità di un ascensore ibrido a celle a combustibile efficiente dal punto di vista energetico: il concetto e il design principali

L'applicazione della tecnologia delle celle a combustibile nell'ambiente costruito

di S. Kaczmarczyk, J. Blaszczyk, H. Lei e R. Smith

parole chiave: rigenerativo, reversibile, fuel cell, idrogeno, pannelli solari, ascensore ibrido, ascensore ibrido.

Abstract: Gli ultimi progressi nelle tecnologie delle celle a combustibile (FC) hanno portato a rapidi sviluppi nel trasporto di veicoli terrestri. Queste tecnologie potrebbero anche essere prese in considerazione per l'implementazione nei sistemi di trasporto verticale (VT). Questo documento presenta uno studio di fattibilità relativo all'applicazione di un alimentatore reversibile a celle a combustibile per un sistema di sollevamento a pannelli solari operante in un grattacielo. Si presume che tutta l'energia necessaria per alimentare il sistema dell'ascensore proverrà dai pannelli solari. L'energia necessaria per il funzionamento nei periodi di bassa irradiazione sarà generata dall'idrogeno immagazzinato in serbatoi a media pressione. L'idrogeno sarà prodotto in una cella a combustibile reversibile unita (URFC). Quando l'accesso alla rete è possibile, la rete fornirà energia di emergenza per le operazioni di punta o per periodi più lunghi di bassa produzione di pannelli solari. L'unità URFC funzionerà in tandem con una batteria agli ioni di litio, mentre le dimensioni dell'URFC e della batteria saranno ottimizzate per il costo minimo complessivo del sistema. La conclusione generale è che il sistema di approvvigionamento energetico degli ascensori indipendente dalla rete è possibile. Tuttavia, i costi e i requisiti di spazio sono i principali limiti dell'accumulo stagionale di energia sotto forma di idrogeno.

1. introduzione

Negli edifici moderni a molti piani, gli ascensori a trazione con motore elettrico sono impiegati per un efficiente trasporto verticale di persone e merci. Nei sistemi tradizionali, l'energia per il motore elettrico è fornita dalla rete elettrica pubblica. Quando il sistema solleva il carico sbilanciato nella cabina o nel contrappeso, l'energia viene prelevata dalla rete. Parte dell'energia fornita viene quindi immagazzinata nel sistema meccanico come energia potenziale. D'altra parte, quando il sistema abbassa il carico sbilanciato nella cabina o nel contrappeso, l'energia potenziale viene restituita al sistema di azionamento. Questa energia restituita è detta "rigenerata". Pertanto, il sistema di azionamento dell'ascensore è in grado di trasferire energia in entrambe le direzioni ed è definito "reversibile". ^[1]

I recenti progressi nelle tecnologie FC hanno portato a rapidi sviluppi nel trasporto di veicoli terrestri. Questo articolo presenta i risultati di uno studio sulla fattibilità di un sistema di alimentazione reversibile a celle a combustibile per un ascensore alimentato da pannelli solari operante in un grattacielo. Si presume che tutta l'energia necessaria per alimentare il sistema dell'ascensore proverrà dai pannelli solari. Vengono considerate due posizioni geografiche: la migliore irradiazione solare possibile a Kampala (Equatore) e l'Europa centrale 52° parallelo nord (Londra). L'irraggiamento solare [W/m²] le curve sono state ricavate dai dati disponibili ^[2] e sono mostrati in Figura 1.

In entrambi i casi, il fabbisogno energetico giornaliero dell'ascensore è bilanciato con l'energia immagazzinata in una batteria tampone, che deve soddisfare due requisiti principali: immagazzinare energia sufficiente per le operazioni quotidiane (con un margine ragionevole per il tempo nuvoloso) e la capacità di ricarica/ corrente di scarica nei periodi di picco di potenza (ad es. potenza di avviamento del motore, accumulo di energia di interruzione).

2. Fabbisogni energetici

È stato preso in considerazione un modello semplificato di installazione di ascensori per grattacieli per generare i requisiti di potenza e il consumo energetico dell'ascensore. I dati dell'edificio corrispondenti e i parametri di installazione dell'ascensore sono mostrati nella Tabella 1. Il modello di simulazione energetica dell'ascensore implementato nel pacchetto software di simulazione commerciale Elevate™[3] è stato utilizzato per determinare i requisiti di potenza e il consumo energetico dell'ascensore. Il modello di ufficio a giornata intera di Siikonen è stato utilizzato per generare i dati sulla domanda di passeggeri^[4] (vedi Figura 2).

La Figura 3 illustra i dati sul consumo di energia cumulativo simulato e la Figura 4 mostra i requisiti energetici medi. Il fabbisogno energetico dell'ascensore nel tempo viene quindi derivato dai dati sull'energia cumulativa e la curva corrispondente è mostrata nella Figura 5.

L'energia solare disponibile dipende dalle fluttuazioni giornaliere e stagionali dell'irraggiamento. Diverse strategie di accumulo di energia sono state adottate per adattare gli scenari operativi dell'ascensore a questi casi.

Tabella 1 Dati principali del modello

Questi scenari sono delineati come segue:

1. L'energia richiesta viene bilanciata con l'energia immagazzinata in una batteria tampone giornaliera dimensionata per l'energia solare disponibile su:
   1. 22 giugno presso la località dell'Equatore
   1. B. 22 settembre presso la località 52° nord.

Si ritiene che gli squilibri/fluttuazioni energetiche stagionali possano essere coperti nei seguenti modi:

• L'accesso alla rete è possibile;
  • L'energia in eccesso del sole viene immagazzinata nella rete nei momenti in cui si verifica l'eccesso di energia
  • B. I deficit energetici degli ascensori vengono coperti dalla rete nei momenti in cui l'energia solare è insufficiente
• L'accesso alla rete non è possibile
  • L'energia solare in eccesso viene immagazzinata nel banco di batterie stagionale quando si verifica un surplus energetico, mentre i deficit energetici vengono coperti dal banco di batterie quando l'energia solare non è sufficiente.
  •  L'energia solare in eccesso viene immagazzinata nell'idrogeno gassoso prodotto (tramite elettrolisi dell'acqua) quando si verifica tale surplus, mentre i deficit energetici vengono coperti dal funzionamento delle celle a combustibile attraverso la conversione dell'idrogeno in elettricità.

3. Sistemi di alimentazione per strategie di accumulo di energia

Considerando gli squilibri/fluttuazioni energetiche stagionali, vengono presi in considerazione i seguenti sistemi di alimentazione degli ascensori. Gli schemi di Figura 6 e Figura 7 illustrano il sistema di alimentazione rispettivamente per lo scenario B e lo scenario C. Si noti che il diagramma in Figura 7 copre due casi: C)a e C)b, rispettivamente.

Il Caso C)a può essere realizzato quando viene omesso il circuito FC/Elettrolizzatore e quando la dimensione della batteria tampone viene aumentata per coprire le fluttuazioni stagionali della potenza solare.

4. Dimensioni della batteria tampone - Fluttuazioni energetiche giornaliere

4.1 Dimensioni della batteria per le operazioni di sollevamento giornaliere

Considerato che i requisiti di potenza dell'ascensore non corrispondono ai periodi di energia solare disponibili (es. giorno-notte), si propone il banco batterie tampone. In questo scenario, la batteria è dimensionata per la ricarica da pannelli solari fotovoltaici (PV) per coprire il fabbisogno energetico giornaliero dell'ascensore. La dimensione minima della batteria richiesta per le operazioni quotidiane è stimata in 79 kWh sulla base dei dati mostrati nella Figura 8 (supponendo un margine di capacità del 100% per una giornata "nuvolosa"). Si precisa che il fabbisogno di potenza dell'ascensore è relativo all'area dell'unità (1m²) di pannelli fotovoltaici.

Il diagramma in Figura 8 presenta il confronto dell'energia solare disponibile nel giorno di minima energia (area sotto la linea rossa) con il fabbisogno energetico giornaliero dell'ascensore (area sotto la linea viola) per le località vicino all'Equatore. È probabile che il dimensionamento dei pannelli fotovoltaici per il giorno di energia minima si traduca in una soluzione più economica rispetto al dimensionamento dei pannelli fotovoltaici tra le linee blu e rossa e all'installazione di qualsiasi dispositivo di compensazione della fluttuazione energetica stagionale.

Per le località vicine al 52° parallelo nord, la situazione è drammaticamente diversa. Confrontando i grafici nella Figura 1, diventa chiaro che la superficie del pannello fotovoltaico dovrebbe essere molto grande per coprire il fabbisogno giornaliero di potenza dell'ascensore nel giorno di energia solare minima (22 dicembre) -linea verde, grafico in basso. In questo caso sarà probabilmente necessario un dispositivo di compensazione delle fluttuazioni energetiche stagionali, mentre i pannelli fotovoltaici saranno dimensionati per soddisfare il fabbisogno energetico annuale.

4.2 Dimensioni della batteria per le operazioni di massima potenza di sollevamento

La dimensione della batteria è anche legata alla potenza del carico e alla limitazione della corrente di carica. Il limite di corrente di una tipica batteria agli ioni di litio 3C è 300 A. Per la batteria selezionata da 100 Ah, 12 V e potenza di picco di picco di 165 kW, la dimensione minima della batteria tampone è 55 kWh.

Confrontando le dimensioni della batteria dei casi 4.1 e 4.2, la dimensione del banco batteria da 79 [kWh] è adatta a coprire sia le fluttuazioni giornaliere della potenza solare che i requisiti di corrente di carica della batteria.

5. Dimensioni dei pannelli fotovoltaici e del buffer della batteria

5.1 Dimensioni dei pannelli fotovoltaici per operazioni vicino all'equatore

La superficie richiesta per i pannelli fotovoltaici per le operazioni vicino all'Equatore è determinata in 51 m², ipotizzando un'efficienza di conversione fotovoltaica del 37%. Il confronto dei costi dei componenti principali è riportato nella Tabella 2. Non sarà necessario l'accumulo stagionale di energia - si vedano le curve di irraggiamento massimo (blu) e minimo (rosso) nella Figura 8.

5.2 Dimensioni della batteria tampone: fluttuazioni stagionali dell'energia (52 gradi a nord)

Una delle opzioni per l'accumulo stagionale di energia è l'utilizzo di un banco di batterie. I calcoli relativi alla capacità delle batterie, effettuati di recente, indicano che questa opzione non è una soluzione praticabile: l'accumulo di energia richiederebbe 9,906 batterie da 100 Ah ciascuna, mentre la superficie dei pannelli fotovoltaici sarebbe di 50 m².². Il costo delle batterie sarebbe quindi di circa 2 milioni di dollari.

6. Stoccaggio di H2 e dimensioni della cella a combustibile - Fluttuazioni energetiche stagionali (52° nord)

Un'altra opzione stagionale di accumulo di energia è il sistema di alimentazione Electrolyser-H2 Storage-FC. I componenti principali del sistema sono presentati nella Figura 7. La strategia operativa prevede la raccolta dell'energia solare durante i periodi di forte irraggiamento, la sua conversione in idrogeno attraverso l'elettrolisi dell'acqua, lo stoccaggio dell'idrogeno in serbatoi pressurizzati e la riconversione dell'idrogeno in elettricità nell'FC a basso -periodi di irradiazione. L'efficienza di andata e ritorno dell'elettrolisi/cella a combustibile è di circa il 45%, il che ha un impatto sulla dimensione/superficie richiesta del pannello fotovoltaico durante la raccolta di energia ad alto irraggiamento. In questo caso, la superficie del pannello FV necessaria è determinata come 80 m².

Si noti che il fabbisogno di potenza dell'ascensore è per area dell'unità (1 m²) di pannelli fotovoltaici. La quantità di idrogeno necessaria per l'accumulo di energia è di 7,925 Nm3. La pressione massima di stoccaggio dell'H2 è 130 barg a causa delle limitazioni del processo di elettrolisi. [5] Tuttavia, a questo punto sono disponibili solo prototipi di tali elettrolizzatori. Ma, tenendo presente il rapido progresso della tecnologia FC, si può presumere che gli elettrolizzatori commerciali da 130 barg saranno presto disponibili e che i compressori H2 ad alta pressione non dovranno essere utilizzati a causa del loro costo elevato.

Il volume richiesto per i serbatoi di H2 (per immagazzinare l'acqua) è di 66 m3, il che potrebbe non essere pratico per l'installazione in un grattacielo. Il costo dei carri armati supererebbe i 100,000 dollari. Il costo di quattro elettrolizzatori PEM da 3 barg Nm30/ora è di circa 200,000 dollari USA. Il costo di FC per la conversione di H2 è paragonabile al costo dell'elettrolizzatore PEM.

La tecnologia Unitized Reversible FC, che combina elettrolizzatore e FC in un unico dispositivo, è in fase di prototipazione e, una volta sviluppata, potrebbe ridurre del 2% il costo dell'hardware di conversione H50.

Supponendo che la tecnologia avanzata richiesta sia oggi disponibile in commercio, il costo dell'infrastruttura di produzione di H2 supererebbe i 300,000 dollari USA.

7. CONCLUSIONE

Nella Tabella 2 viene presentato un confronto tra gli scenari considerati in questo studio. Nell'analisi sono state prese in considerazione due posizioni geografiche: vicino all'Equatore e a 52° di latitudine nord, corrispondente alla posizione di Londra.

L'analisi effettuata mostra che non vi è alcuna necessità di accumulo stagionale di energia nelle aree vicine all'Equatore a causa dell'elevata disponibilità di energia solare durante l'intero anno. Il bilanciamento giornaliero dell'energia può essere coperto con un pacco batteria, che è molto più economico del sistema elettrolizzatore-FC con una capacità di accumulo di energia comparabile (25,000 USD contro 200,000 USD); fare riferimento ai casi A)a; B)-C), rispettivamente. La necessità di un accumulo stagionale di energia sorge in località lontane dall'Equatore. Il modo più semplice ed economico per gestire lo stoccaggio stagionale dell'energia in questi luoghi è lo stoccaggio dell'energia dalla rete (vedi casi A)b; B, rispettivamente).

Quando l'accumulo di energia di rete non è disponibile (caso A)b; C)a e C)b), la soluzione più economica è l'accumulo di energia in idrogeno piuttosto che in batterie agli idrati di litio. Tuttavia, le dimensioni dei serbatoi di stoccaggio H2 (66 m3) potrebbero causare problemi di sicurezza se situati vicino a un grattacielo. Considerando serbatoi di 2 m di diametro, la lunghezza totale dei serbatoi sarebbe di circa 21 m.

Se viene adottata una tale soluzione, sarà necessaria un'attenta pianificazione del layout, presupponendo che il costo elevato non sia un problema. L'accumulo stagionale di energia in un pacco batteria è il più costoso di tutti gli scenari considerati. È relativamente sicuro, ma richiede comunque una notevole quantità di spazio immobiliare per ospitare le batterie. La massa prevista della batteria è di 214 T, mentre il volume di accumulo della batteria sarebbe di circa 200 m3, compreso lo spazio per i collegamenti e il raffreddamento.

La conclusione generale è che il sistema di approvvigionamento energetico degli ascensori indipendente dalla rete è possibile; tuttavia, i costi e i requisiti di spazio sono i principali limiti dell'accumulo stagionale di energia sotto forma di idrogeno.

Va inoltre notato che esistono rischi associati all'applicazione della tecnologia delle celle a combustibile nell'ambiente edificato. I principali rischi coinvolti sono legati alle proprietà pericolose dell'idrogeno e al suo stoccaggio. [6] I rischi includono incendi ed esplosioni, nonché rischi elettrici. Pertanto, è necessario considerare il controllo dei rischi coinvolti.

Referenze
[1] JP Andrew e S. Kaczmarczyk, "Ingegneria dei sistemi degli ascensori". ELEVATOR WORLD, 2011.
[2] Worldatlas.com https://www.worldatlas.com/articles/how-long-is-a-day-at-the-equator.html (consultato il 15 febbraio 2020)
[3] L. Al-Sharif, R. Peters, R. Smith, "Modello di simulazione energetica dell'ascensore". Tecnologia degli ascensori 14. Atti di ELEVCON 2004, Istanbul, Turchia, aprile 2004, 11-20.
[4] ML Siikonen, "Sulla metodologia di pianificazione del traffico". Tecnologia degli ascensori 10. Atti di ELEVCON 2000, Berlino, Germania, maggio 2000, 267–274.
[5] VN Fateev et al., "Elettrolisi dell'acqua PEM ad alta pressione e relativi problemi di sicurezza." International Journal of Hydrogen Energy 36(3), febbraio 2011.
[6] Linee guida sulla salute e sicurezza HSG243, Celle a combustibile. "Comprendere i pericoli, controllare i rischi." Health and Safety Executive, 2004.