Dispensa del corso di “SISTEMI ENERGETICI” Argomento: Sistemi Energetici (parte 3.2) - 5

Stirling Energy Systems (SES) 

(USA) 

Motore Stirling ad energia solare 

www.stirlingenergy.com 

Stirling Energy Systems (SES) 

(USA) 

Motore Stirling ad energia solare 

www.stirlingenergy.com 

Stirling Systems 

(già SOLO STIRLING) 

(Germania) 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

www.stirling-engine.de 

Motori Stirling 

Stirling Danmark 

•  P

e

 = 35 kW

e 

•  η 

e

 =  28 % 

www.stirling.dk 

Motori Stirling 

Stirling Danmark 

•  P

e

 = 35 kW

e 

•  η 

e

 =  28 % 

Motori Stirling 

www.stirling.dk 

Stirling Danmark 

•  P

e

 = 35 kW

e 

•  η 

e

 =  28 % 

Motori Stirling 

www.stirling.dk 

STM Corporation 

• P

e

 = 55 kW

e 

• P

th

 = 91 kW

th 

•  η 

e

 = 30 %

 

•  η 

th

 = 50 % 

•  η 

U

 = 80 % 

 

 

 

Motori Stirling 

Stirling Biopower 

•  P

e

 = 38 kW

e 

•  P

th

 = 68 - 71 kW

th 

•  η 

e

 = 27 - 28 %

 

•  η 

U

 = 75 - 80 % 

 

 

www.stirlingbiopower.com 

Motori Stirling 

Sunmachine

 (Germania)

  

Motore Stirling cogenerativo alimentato a 
pellet 

 

 

 

 

 

 

www.sunmachine.com 

Motori Stirling 

Whispertech 

• P

e

 = 1.2 kW

e 

• P

th

 = 7   kW

th 

• η 

e

 = 12 % 

• η 

U

 = 95 % 

 

 

www.whispergen.com 

Motori Stirling 

Motori Stirling 



Celle a combustibile - Fuel Cell (FC) 



Sistemi termofotovoltaici (TPV) 

Tecnologie CHP a combustione interna 



Sistemi termofotovoltaici (TPV) 



Sistemi termoelettrici (TE) 

Tecnologie CHP a combustione esterna 

Prototipali 

Tecnologie CHP a combustione interna/esterna 



Ciclo combinato gas-vapore 



Ciclo combinato MCI-ORC 



Ciclo combinato MTG-ORC 

Prototipali 

In fase di 

consolidamento 

Consolidate 

Le tecnologie 



In alternativa alla classica conversione “termodinamica”, la trasformazione 
dell’energia chimica di un combustibile in energia elettrica può avvenire 
direttamente mediante reazioni elettrochimiche all’interno delle celle a 
combustibile (

Fuel Cell - FC

) 



La trasformazione elettrochimica può essere estremamente efficiente in 
quanto non deve sottostare alle limitazioni di rendimento imposte dal 
rendimento di Carnot 



La potenziale assenza di processi di combustione riduce le emissioni 

Celle a combustibile 



La struttura di una FC è analoga a quella di una pila elettrochimica; sono presenti 
due elettrodi (anodo e catodo) ed un elettrolita disposto tra i due elettrodi. Il 
combustibile, solitamente H

2

, viene alimentato dall’esterno al comparto anodico, 

mentre un flusso di ossidante (aria o ossigeno puro) viene convogliato verso il 
catodo. La presenza di catalizzatore sugli elettrodi favorisce due semireazioni: di 
ossidazione elettrochimica dell’idrogeno e di riduzione elettrochimica dell’ossigeno 
con scambio di ioni attraverso l’elettrolita e formazione di acqua; in definitiva le 
reazioni liberano elettroni sull’anodo generando un flusso di corrente continua: tali 
elettroni possono essere convogliati su un carico elettrico esterno. 

Anodo:  H

 

2

 



 

2H

 

+

 

+ 2e

 

-

 

Catodo: 2H

 

+

 

+ 

 

½

 

O

 

2

 

+ 2e

 

-

 



 

H

 

2

 

O

 

+

Anodo

Catodo

Elettrolita

H

H

H

H

H

+

H

+

H

+

H

+

H

H

+

O

O

idrogeno

e¯

-

C.C.

aria

aria, acqua 

calore

Celle a combustibile 

Sitema 

di 

controllo

FC

STACK

Combustibile

Aria

 Dati sistema di controllo 

Scarico

Potenza 

termica

Potenza 

elettrica

 

Trattamento 

del 

combustibile

 

Inverter

 

Celle a combustibile 

Le FC si classificano in base all’

elettrolita

 che condiziona: 

• le temperature di esercizio 
• specie chimiche che reagiscono 
• tolleranza alle impurezze 

L’

elettrolita

 può essere: 

• solido (membrana polimerica) 
• liquido alla temperatura ambiente (ad. es. acqua distillata) 
• soluzione elettrolitica (ad. es. sali disciolti in acqua) 
• sali fusi (ad. es. cloruri, carbonati) 
• solidi ionici drogati e con vacanze (ad. es. alogenuri) 

Celle a combustibile 

PEMFC 

AFC 

PAFC 

MCFC 

SOFC 

Elettrolita 

Membrana 

polimerica 

(ioni H

+

) 

Soluzione 

alcalina 

(ioni OH

-

) 

Acido fosforico 

(ioni H

+

) 

Carbonati di 

litio fusi  

(ioni CO

3

2-

) 

Ossido di 

zirconio 

(ioni O

2-

) 

Reforming 
interno 

No 

No 

No 

Si 

Si 

Ossidante 

Aria 

O

2

 

Aria 

Aria 

Aria 

Temperatura di 
funzionamento  
 

60-110

°

C 

90-250

°

C 

150-210

°

C 

600-700

°

C 

700-1000

°

C 

Rendimento del 
sistema 

(1) 

25-35% 

32-40% 

35-40% 

40-50% 

45-55% 

Sostanze 
nocive 

CO, Zolfo 

CO, CO2, 

Zolfo 

CO, Zolfo 

Zolfo 

Zolfo 

(1) con riferimento al potere calorifico superiore, HHV

 

Celle a combustibile 

PEMFC

H

2



2e

-

+ 2H

+ 

PAFC

H

2



2e

-

+ 2H

+ 

MCFC

2e

-

+ H

2

O + CO

2



H

2

+ CO

3

= 

SOFC

2e

-

+ H

2

O 



H

2

+ O

= 

2H

+

+ 1/2 O

2

+ 2e

-



H

2

O

2H

+

+ 1/2 O

2

+ 2e

-



H

2

O

CO

3

=



1/2 O

2

+ CO

2

+ 2e

-

O

=



1/2 O

2

+ 2e

-

Tipo di FC

Reazione

anodica

Ione trasportato

nell’elettrolita

Reazione

catodica

Temperatura

operativa (

°

C)

60-80

200

650

800-1000

_

+

e

-

AFC

2e

-

+ 2H

2

O 



H

2

+ 2(OH)

-

2(OH)

-



H

2

O + 1/2 O

2

+ 2e

-

< 120

OH

-

H

+

CO

3

=

O

=

H

+

BT

AT

Celle a combustibile 



utilizzo di 

idrogeno

 come combustibile principale 



bassa densità di potenza (le PEMFC hanno la più alta densità di 
potenza) 



produzione di 

corrente continua

 (necessità di inverter) 



alta efficienza ai carichi parziali 



adattamento alle variazioni di carico 



generazione di 

calore

 sfruttabile per 

cogenerazione 



ridotte emissioni inquinanti grazie alla 

combustione evitata

  



conversione statica: 

assenza di parti meccaniche in movimento

 

e ridotto inquinamento acustico 



modularità (taglia “stack” teoricamente illimitata) 



assenza di effetto taglia 

Celle a combustibile 

Il combustibile principale utilizzato dalle FC è 

l’idrogeno 

• le celle a bassa temperatura 

non sono tolleranti al CO

 e 

necessitano di un impianto di trattamento per convertire il 
combustibile disponibile in un gas con un contenuto più o meno 
elevato di idrogeno (“

reformer

”) 

• le celle ad alta temperatura (MCFC e SOFC) 

possono essere in 

grado di effettuare autonomamente un reforming interno

, ovvero 

di essere alimentate con gas naturale o gas di sintesi (es. miscela 
CH

4

, H

2

, CO, CO

2

, H

2

O) 

E’ inoltre necessario ridurre la concentrazione di impurezze o di 
elementi dannosi (es. lo zolfo in tutti i suoi composti: H

2

S, COS …), 

capaci di degradare le prestazioni della cella anche in modo 
irreversibile 

Celle a combustibile 

Celle singole formano una pila (“

stack

”), da cui moduli di 

potenza maggiore ed impianti di grande potenza ottenuti 
sommando più moduli. 

Fuel Cell 

Stack 

Modulo 

Impianto 

Modulo 

Esempio di moduli MCFC FuelCell Energy 

Celle a combustibile 

Tipologia 

ηe 

ηtot 

Impiego 

Costi 

sistema 

cogenerativo  

a Gas Naturale 

PEMFC 

< 0.40 

0.80-0.85 

Riscaldamento acqua 

sanitaria (50-60 

°C) 

4000 

€/kW

el 

Target: <600 

MCFC 

< 0.5 

0.75-0.91 

Vapore ad uso 

industriale (~500 

°C) 

3500 

€/kW

el 

Target: < 600 

SOFC 

< 0.55 

0.75-0.93 

Vapore ad uso 

industriale (~800 

°C) 

3000 

€/kW

el 

Target: < 600 

Celle a combustibile 



Recentemente si stanno affermando i sistemi integrati 
biomassa/celle a combustibile, comunemente chiamati 

Biomass-Integrated gasification fuel cell (B-IGFC) 



Basati sulla presenza di una gassificazione associata 
alla conversione energetica in una cella a combustibile 



Le celle più indicate per queste applicazioni sono le 
MCFC e le SOFC, ma studi recenti pongono attenzione 
anche alle PEM 

Biomasse e Celle a combustibile 



 

Componente essenziale è il reformer dove il generico 

combustibile viene convertito in un gas ricco di idrogeno 

Biomasse e Celle a combustibile 



Le SOFC sono tra le più indicate grazie a: 

•

alta tolleranza alle impurità  

•

possibilità di effettuare il reforming internamente 



Cella combustibile SOFC alimentata direttamente a 
biogas prodotta dalla Bloomenergy 

ES-5000 Energy Saver 

Potenza combustibile 

kW 

194 

Potenza elettrica netta 

kW 

100 

Rendimento elettrico netto 

% 

52 

Dimensioni package: 5.7 x 2.1 x 2.1 m 
Peso package : 10000 kg 

 

Biomasse e SOFC 



Celle a combustibile - Fuel Cell (FC) 



Sistemi termofotovoltaici (TPV) 

Tecnologie CHP a combustione interna 



Sistemi termofotovoltaici (TPV) 



Sistemi termoelettrici (TE) 

Tecnologie CHP a combustione esterna 

Prototipali 

Tecnologie CHP a combustione interna/esterna 



Ciclo combinato gas-vapore 



Ciclo combinato MCI-ORC 



Ciclo combinato MTG-ORC 

Le tecnologie 

Prototipali 

In fase di 

consolidamento 

Consolidate 



La tecnologia termofotovoltaica (TPV) è basata sulla conversione 
dell’energia irraggiata da un emettitore in elettricità attraverso celle 
fotovoltaiche (PV) 

Sistemi Termofotovoltaici (TPV) 



La tecnologia termofotovoltaica (TPV) è basata sulla conversione 
dell’energia irraggiata da un emettitore in elettricità attraverso celle 
fotovoltaiche (PV) 

Sistemi Termofotovoltaici (TPV) 



progressi nella tecnologia delle celle fotovoltaiche 
 
 



particolare adattabilità a numerosi settori di nicchia 
quali: 

elettronica (1-2 W) 
sistemi portatili e batterie (10-50 W) 
produzione energia on-board di veicoli 
(100-300 W) 

microcogenerazione residenziale

 

(1000-3000 W) 

Sistemi Termofotovoltaici (TPV) 



Questa tecnologia nasce attorno agli anni ’60 al MIT ma solo negli 
ultimi anni ha ricevuto nuovo impulso grazie 



progressi nella tecnologia delle celle fotovoltaiche 
 
 



particolare adattabilità a numerosi settori di nicchia 
quali: 

elettronica (1-2 W) 
sistemi portatili e batterie (10-50 W) 
produzione energia on-board di veicoli 
(100-300 W) 

microcogenerazione residenziale

 

(1000-3000 W) 

Sistemi Termofotovoltaici (TPV) 



Questa tecnologia nasce attorno agli anni ’60 al MIT ma solo negli 
ultimi anni ha ricevuto nuovo impulso grazie 



La tecnologia TPV presenta una serie di fattori positivi 



funzionamento silenzioso (no parti in movimento) 



particolare adattabilità a combustibili di varia natura (può 
essere utilizzato anche con combustione esterna) 



emissioni molto basse  



densità di potenza molto elevate (100 volte quelle di un 
sistema a celle fotovoltaiche basate sulla radiazione 
solare) 



Limiti della tecnologia 



ancora necessaria R&D per ingegnerizzare il sistema 



rendimento elettrico molto basso (1-10 %), ma elevati 
rapporti P

th

/P

e 

(10-20) 



costi medio-alti ma in fase di rapido calo 

Sistemi Termofotovoltaici (TPV) 

Sorgente di calore 

Filtro 

Celle PV 

Emettitore 



Un sistema di generazione termofotovoltaico è composto 
essenzialmente da quattro elementi: 

–

 una sorgente di calore 

–

 un emettitore 

–

 un filtro  

–

 una serie di celle fotovoltaiche 

Sistemi Termofotovoltaici (TPV) 

Sorgente di calore 

Filtro 

Celle PV 

Emettitore 



Un sistema di generazione termofotovoltaico è composto 
essenzialmente da quattro elementi: 

–

 una sorgente di calore 

–

 un emettitore 

–

 un filtro  

–

 una serie di celle fotovoltaiche 

Sistemi Termofotovoltaici (TPV) 

diretto 

Sorgente di calore 

Filtro 

Celle PV 

Emettitore 

indiretto 



Un sistema di generazione termofotovoltaico è composto 
essenzialmente da quattro elementi: 

–

 una sorgente di calore 

–

 un emettitore 

–

 un filtro  

–

 una serie di celle fotovoltaiche 

Sistemi Termofotovoltaici (TPV) 

Soybean 

Sunflower 

Corn 

Beet 

Poplar 

Pellets 



In un 

sistema di combustione

 che interagisce indirettamente 

con l’

emettitore il calore sviluppato dalla combustione viene 

trasmesso per scambio termico ad un radiatore, che diventa 
incandescente 

Sistemi Termofotovoltaici (TPV) 

  



poichè il sistema è a combustione esterna, è 
possibile utilizzare un combustibile qualsiasi  
(biogas, bio-oli, biomasse, oli vegentali, RSU, ecc.) 

Rendimento 
radiante 

Rendimento 
spettrale 

Rendimento di 
vista 
 

Rendimento 
cella PV 

rad

gap

SP

P

P





gap

disp

gap

VF

P

P

P







disp

gap

e

P V

P

P

P







heat 

fuel

rad

RAD

P

P





P V

VF

SP

RAD

fuel

e

TP V















P

P

Emett

ito

re

 

Filt

ro

 

Cella 

PV

 

P

rad

 

P

e

 

P

disp

 

+ 

- 

P

back

 

P

back

 

P

abs 

calore 

P

fuel

 

(P

gap

- P

disp

)

 

Sorgent

e

 

di 

calore

 

P

gap

 

Sistemi Termofotovoltaici (TPV) 



Recentemente vengono 

sperimentate ed utilizzate celle PV a 
base di Gallio (Ga), Antimonio (Sb), 
Indio (In) ed Arsenico (As) (più 
efficienti ma contengono elementi 
tossici (Sb, As) e la loro produzione è 
ancora piuttosto costosa) 
 
              GaSb (E

g

 = 0.73 eV) 

 

GaInAs (E

g

 = 0.72 eV) 

 

GaInAsSb (E

g

 = 0.53 eV)  

GaInAsSb 

GaSb 



Le celle PV

 

al Silicio (Si) o al 

Germanio (Ge), che sono 
relativamente meno costose e più 
diffuse, presentano bande di valenza 
elevate per le applicazioni TPV 

 
 

Si (1.1 eV)  

 

Ge (0.8 eV)  

Si 

Si 

Sistemi Termofotovoltaici (TPV) 

Emettitore a banda stretta (selettiva) 

Ossidi di terre rare: Ytterbio, Erbio 

Emettitore a banda 

larga 

Carburi di Silicio 



Requisito essenziale dell’

emettitore 

è quello di irraggiare ad una 

frequenza ottimizzata per le celle fotovoltaiche 

Sistemi Termofotovoltaici (TPV) 



Il filtro permette di far passare alle celle PV solo l’energia radiante che ha 
un livello energetico sufficiente per attivare le celle PV 



L’energia radiante che non viene fatta passare dal filtro viene in parte 
assorbita dal filtro (e trasformata in calore) e in parte riflessa verso 
l’emettitore e/o verso altre zone del sistema dove può essere utilizzata 
come energia utile 

Sistemi Termofotovoltaici (TPV) 

P

e

  = 100 W

e 



e

  = 1.4 % 

JX Crystal (USA) - 

Midnight Sun 

Sistemi Termofotovoltaici (TPV) 

CANMET(Canada) 

 



e

  = 2.5 % 

Paul Scherrer Institute 
(Svizzera)

 

P

e

  = 50 W

e 



e

  = 2.5 % 

P

e

  = 500 W

e 



e

  = 12.3 % 

JX Crystal (USA)

 

 

Sistemi Termofotovoltaici (TPV) 

 

Sistemi Termofotovoltaici (TPV) 



Proposta del Solar Energy Research Center SERC (Sweden) 



Stufa a biomassa per applicazioni remote 

Sistemi Termofotovoltaici (TPV) 

Modello 

P

e

 

P

in

 



e

 



cog

 

Costo  

 

JX Crystal 
(Midnight Sun) 

 

100 W 

7.3 kW 

1.4 % 

n.d 

n.d 

n.d. 

JX Crystal

1

 

1.5 kW 

12.2 kW 

12.3 % 

n.d 

5250 

€ 

3500 

€/kW 

JX Crystal

2

 

550 W 

5.7 kW 

9.6 % 

75 % 

800 

€ 

1800 

€/kW 

Paul Scherrer 
Inst.

2

 

200 W 

20 kW 

1.0 % 

n.d 

590 

€ 

2950 

€/kW 

1 

Costo riferito al sistema complessivo caldaia + sistema TPV (senza inverter) 

2 

Costo riferito al solo sistema TPV (senza inverter) 

Sistemi Termofotovoltaici (TPV) 



Celle a combustibile - Fuel Cell (FC) 



Sistemi termofotovoltaici (TPV) 

Tecnologie CHP a combustione interna 



Sistemi termofotovoltaici (TPV) 



Sistemi termoelettrici (TE) 

Tecnologie CHP a combustione esterna 

Prototipali 

Tecnologie CHP a combustione interna/esterna 



Ciclo combinato gas-vapore 



Ciclo combinato MCI-ORC 



Ciclo combinato MTG-ORC 

Le tecnologie 

Prototipali 

In fase di 

consolidamento 

Consolidate 



Il fenomeno è reversibile: quando due 
conduttori o semiconduttori uniti tra di loro a 
formare un termoelemento (o termocoppia) 
hanno le giunzioni sottoposte ad una differenza 
di temperatura, all’interno del circuito circola 
corrente elettrica (Effetto Seebeck) 



Un circuito bimetallico percorso da corrente 
continua mostra una differenza di temperatura 
nella giunzione tra i due metalli (Effetto Peltier) 

Sistemi Termoelettrici 



La maggior parte dei dispositivi termoelettrici è basata su semiconduttori  
di tipo 

p

 e  di tipo 

n

 connessi elettricamente in serie attraverso strisce di 

metallo (rame), impaccate attraverso piastre ceramiche che fungono da 
conduttori di calore e da isolanti elettrici 

Sistemi Termoelettrici 



La maggior parte dei dispositivi termoelettrici è basata su 
semiconduttori di Bismuto-Tellurio di tipo 

p

  e di tipo 

n

  











K

1

   

 

2





a

Z

Cifra di merito: 

Sistemi Termoelettrici 

a

: coeff. di Seebeck [V/K] 



: resistività [

W

 m] 



: conducibilità termica 

[W/(m K)] 



Rendimenti di conversione (< 5%) e potenza generata per singolo 
modulo relativamente bassi 



Qualora l’alimentazione sia effettuata tramite calore di scarto, il 
costo per il combustibile è nullo 













K

1

   

10

3

Z

(Temp. giunto freddo: 300 K) 

Rendimento di conversione [%] 

Temperatura  [K] 

Rendimento di Carnot [%] 

Sistemi Termoelettrici 



I principali vantaggi offerti dai dispositivi termoelettrici sono 

–

assenza di vibrazioni e rumore (non ci sono parti in 
movimento) 

–

vita utile molto elevate (100’000 ore) 

–

possibilità di utilizzo come dispositivo reversibile (fornendo 
energia elettrica può essere utilizzato per refrigerare o 
riscaldare) 



Limiti della tecnologia 

−

ancora necessaria R&D per ingegnerizzare il sistema 

−

rendimenti elettrici molto bassi (1-10 %) 

−

costi elevati  

Sistemi Termoelettrici 

Royal Institute of Technology 

(Sweden) 

[finanziato dalla Eriksson] 

P

e

 = 4 W

e

 

Base del camino 

T = 300-500 °C  

Piano in ghisa  

T = 150-300 °C 

Gas di scarico 

T = 140-200 °C 

Sistemi Termoelettrici