RICERCA ITALIANA     

ANALISI TEORICO SPERIMENTALE DI SISTEMI IBRIDI CON CELLE A COMBUSTIBILE SOFC-MCFC DI SECONDA GENERAZIONE AD ELEVATISSIME PRESTAZIONI

Università degli Studi di Genova

Abstract

La necessità di sviluppo di sistemi di conversione dell'energia sempre piu' efficienti e che rispondano al concetto di generazione distribuita (riduzione della installazione di nuove linee elettriche e distribuzione locale di calore e freddo - trigenerazione), è ormai riconosciuta a livello internazionale. Questo sia che si continui ad operare con combustibili fossili tradizionali, ovvero si pensi di passare, anche attraverso una fase di transizione, alla cosiddetta "Economia dell'Idrogeno".
Gli unici sistemi energetici in grado di soddisfare le esigenze sopra richiamate sono senza alcun dubbio i cosiddetti "sistemi ibridi" basati sull'accoppiamento di celle a combustibile ad elevata temperatura (Ossidi solidi e Carbonati fusi) con sistemi convenzionali (turbine a gas, a gas e vapore, ecc.).
I sistemi ibridi di prima generazione hanno, tuttavia, evidenziato, oltre a limiti tipici del componente cella a combustibile (prestazioni, durata, costi, ecc.)sui quali si lavora da anni in tutti i più importanti centri di ricerca internazionali, aspetti critici a livello di impianto. Tali aspetti critici sono:
(i) l'accoppiamento fra stack di celle e turbomacchine prescelte (in genere turbine a gas esistenti),
(ii) il controllo del sistema che evidenzia transitori molto diversi fra la sezione elettrochimica e quella convenzionale,
(iii) i limiti nell'ottenimento delle prestazioni di efficienza previsti dai calcoli termodinamici.
(iv) i costi non solo per la sezione elettrochimica, ma anche per quello che viene comunemente detto BOP (Balance Of Plant).
(v) i limiti nel costo dell'elettricità e nei tempi di ritorno dell'investimento.
Essi devono essere necessariamente superati se si vogliono raggiungere i target posti a livello internazionale (DOE, UE, NEDO).

La presente proposta, che nasce da anni di esperienza nel settore in ambito nazionale e internazionale delle Unità Operative coinvolte, intende appunto individuare una metodologia per lo sviluppo di sistemi ibridi detti di "Seconda Generazione", capaci cioè di superare i limiti citati dei sistemi di "prima generazione".
Gli obiettivi dello studio sono quindi quelli di sviluppare sistemi ibridi che abbiano:
a)prestazioni particolarmente elevate in termini di efficienza (>65% fino a 2 MW elettrici, >70% fino a 30 MW).
b) ridotti costi dell'energia elettrica.
c) buona capacità di adattamento al carico.
d) buona adattabilità ai combustibili, incluso idrogeno e biocombustibili.
Per ottenere questi risultati si intende sviluppare una metodologia di studio basata su attività sperimentali e teoriche integrate da metodologie tipiche della fluidodinamica computazionale. Le tre attività saranno fortemente integrate e condotte simulataneamente per ridurre al minimo gli aspetti critici dei sistemi di prima generazione.

La attività sperimentale, seguendo una nuova linea di ricerca internazionale, come confermano gli studi del DOE (Dept. of Energy USA)e del Progetto Integrato Europeo FELICITAS (FP-VI-UE), verranno condotte su impianti detti "emulatori". Essi "emulano" infatti il costoso e delicato stack di celle e consentono di contenere notevolmente i costi dello studio. Presso una delle Unità Operative sono già disponibili due Emulatori, uno anodico e uno catodico, che verranno messi a disposizione del presente progetto.
L'analisi teorica (studio del lay out di impianto) si avvale delle ampie e riconosciute competenze dei proponenti nel settore dello studio tecnico economico dei sistemi avanzati per la conversione dell'energia, anch'essa ampiamente riconosciuta a livello internazionale.
La analisi di dettaglio delle problematiche di sviluppo dell'interfaccia piu' adatto fra stack di celle e sistema si avvarrà delle competenze fluidodinamiche che il gruppo possiede e che consentiranno di analizzare gli aspetti critici evidenziatisi a livello di sistema sul funzionamento delle celle (stress termici, meccanici, controlo delle condizioni di rapporto steam to carbon, ecc.). <<<

Coordinatore Scientifico del Programma di Ricerca

Aristide MASSARDO Università degli Studi di GENOVA

Obiettivo del Programma di Ricerca

Il presente programma di ricerca, inserito nel campo dei sistemi ibridi con celle a combustibile ad alta temperatura, si sviluppa su tre filoni principali
(i) analisi sperimentale con emulatori di sistema ibrido;
(ii) analisi teorica ed economica di nuovi impianti ibridi ad elevate prestazioni;
(iii) sviluppo di analisi CFD su geometrie di celle a carbonati fusi e ad ossidi solidi.
Il lavoro persegue con costi relativamente contenuti grazie allo sviluppo da un lato di modelli affidabili di celle a combustibile e dall'altro di emulatori di impianto che, non utilizzando la parte elettrochimica, molto costosa e delicata, consentono piu' ampi margini operativi e che dai modelli CFD traggono le informazioni sui vincoli imposti all'impianto dallo stack di celle.
I principali obiettivi sono:

1) definizione delle principali criticità evidenziate nello studio, progettazione, realizzazione e verifiche sperimentali di sistemi ibridi di prima generazione attualmente in studio in Europa, Giappone e Stati Uniti. L'obiettivo sarà perseguito utilizzando le connessioni che le unità di ricerca hanno in ambito nazionale (Ansaldo Fuel Cell Co., Edison, CESI, altri) ed in ambito internazionale (Rolls-Royce Fuel Cell Systems, Siemens-Westinghouse PC, Fuel Cell Energy, Mitsubishi, National Fuel Cell Research Centre-Irvine, DOE, etc.). In particolare saranno verificate tutte le criticità dovute al non contemporaneo sviluppo del sistema elettrochimico e delle macchine-scambiatori di calore utilizzati per la realizzazione del sistema ibrido e del suo controllo sia termico che fluidodinamico.

2) analisi di nuovi lay-out di impianto ibrido che consentano di ottenere rendimenti superiori al 65% per impianti di taglia inferiore a 2MW e al 70% per impianti di taglia inferiore ai 30MW, entrambi considerati adatti, pur con differenti target, a soddisfare il concetto di generazione distribuita. I sistemi saranno analizzati sia per celle a combustibile a carbonati fusi e sia per celle ad ossidi solidi di differente geometria.
Questo obiettivo sarà perseguito utilizzando codici di calcolo all'uopo sviluppati e a partire dalle evidenti criticità poste in evidenza dalla analisi di cui al punto precedente. I codici saranno opportunamente validati con dati disponibili per i sistemi ibridi di prima generazione, e saranno in grado di effettuare le analisi complete relative all'accoppiamento ed alle scelte tecnologiche delle celle e del Balance of Plant. Per il raggiungimento dell'obiettivo tutto lo studio sarà in forte connessione con la fase di analisi dettagliata delle celle e con la parte relativa all'analisi sperimentale su emulatore, proprio per ridurre gli aspetti critici dovuti a progettazioni separate.

3) sviluppo di modelli di calcolo CFD originali che consentano di ottenere tutte le informazioni di dettaglio necessarie alla valutazione delle criticità locali nelle celle: disuniformità di temperature, gradienti di temperatura e meccanici, alimentazioni di combustibile ed aria in differenti configurazioni, gestione termica dello stack. In aggiunta i modelli CFD verranno utilizzati per la definizione dei vincoli operativi delle celle che saranno considerati sia nella fase di sviluppo teorico precedente e sia in quella della analisi sperimentale con emulatore.

4)sviluppo di sistemi di controllo affidabili e robusti per sistemi ibridi di seconda generazione. Lo sviluppo di questi sistemi sarà effettuato ricorrendo da un lato alle informazioni dei due punti precedenti connesse all'analisi delle criticità dei sistemi ibridi di prima generazione. L'analisi teorica sarà sviluppata in connessione con quella sperimentale che si avvarrà di sistemi emulatori sia di ricircoli catodici (ove presenti) e di comparto catodico con la completa emulazione delle turbomacchine allo scopo di contenere i costi dello studio e di renderlo il piu' possibile flessibile. I sistemi di controllo saranno sviluppati e validati sul campo grazie anche alla disponibilità di emulatori messi a punto in precedenza su lay-out di impianti specifici.
5) messa a punto di due impianti emulatori, uno anodico e uno catodico, che emulino le performance nelle fasi critiche dell'avviamento e dello spegnimento dei nuovi sistemi ibridi studiati nel presente programma e che consentano di verififcare tutti i vincoli del lato cella ottenuti tramite la simulazione CFD.
I due impianti ampiamente flessibili si basano su due sistemi attualmente esistenti sviluppati in collaborazione con una società del settore e che consentono di operare con temperature massime di 900°C e pressioni di circa 10 bar.

6)analisi economica completa dei sistemi ibridi di seconda generazione definendo i costi dei singoli componenti: celle, stack, turbomacchine, scambiatori di calore, sistema di conversione elettrica, elettronica di potenza, controlli, ecc. In questa fase si porrà particolare attenzione al contenimento dei costi della parte non elettrochimica facendo ipotesi opportune sui costi di quest'ultima. I risultati consentiranno, in opportuni scenari economici, di valutare i target dei sistemi ibridi per una loro diffusione nel breve medio periodo anche in presenza di fasi di transizione verso la economia dell'idrogeno.

In ogni caso si puo' dire che il principale obiettivo dello studio consiste nello sviluppo dell'intera procedura simultanea che consente di eliminare o significativamente ridurre le criticità evidenziate dai sistemi ibridi di prima generazione. Infatti la contemporanea analisi a livello di impianto in termini di termodinamica e di costi, di CFD a livello di cella e sperimentale a livello di off-design, transitori, e di controllo dell'intero impianto ibrido, ancorchè per ragioni di costo con emulazione dello stack, è un obiettivo molto ambizioso e che può essere raggiunto anche grazie alla multidisciplinarietà dei componenti il consorzio proponente.
Il raggiungimento dell'obiettivo globale, anche tramite il raggiungimento degli obiettivi intermedi detti, consentirà al sistema universitario italiano di porsi al livello dei principali paesi operanti nel settore (USA, Giappone, UK, Danimarca, Germania, ecc.). <<<

Durata

24 mesi

Base di partenza scientifica nazionale o internazionale

Lo sviluppo della civiltà richiede sempre maggiori quantità di energia elettrica, una richiesta che mal si concilia con:
(i) il progressivo esaurirsi dei combustibili fossili, le risorse energetiche su cui si basa in gran parte la generazione elettrica,
(ii) le crescenti preoccupazioni sui cambiamenti climatici indotti dall'aumento di emissioni nell'atmosfera del pianeta da gas clima alteranti, in particolare l'anidride carbonica e
(iii) gli effetti dannosi sulla qualità dell'aria che provocano l'emissione di sostanze nocive (in primis gli ossidi di azoto) generate durante i processi di combustione.

Un importante contributo ad attenuare i problemi sopra delineati è stato fornito negli scorsi due decenni dal grande progresso tecnologico registrato dai cicli combinati gas-vapore. La "rivoluzione tecnologica" consentita dai cicli combinati ha, infatti, progressivamente continuato: (i) ad aumentare il rendimento di conversione da valori (40-45%) prossimi a quelli della tecnologia di conversione convenzionale (i cicli a vapore), a valori che oggi sono dell'ordine del 58%, contribuendo quindi in misura rilevante al contenimento dei consumi di energia primaria, (ii) a diminuire le emissioni specifiche di anidride carbonica, oggi attestate a valori dell'ordine di 360-380 gCO2/kWh, pari a circa la metà rispetto a quelle delle centrali a vapore alimentate da carbone o da olio combustibile e (iii) a sviluppare tecnologie sempre più efficienti di combustione premiscelata che contengono le temperature di combustione, abbattendo le emissioni specifiche di ossidi di azoto a valori dell'ordine di 30 mg/Nm3, riferiti al 15% di O2.

Le prospettive di ulteriore sviluppo dei cicli combinati per i prossimi decenni sono relativamente limitate: come riportato nei due lavori "Predicting The Ultimate Performance Of Advanced Power Cycles Based On Very High Temperature Gas Turbine Engines" e "A Thermodynamic Analysis Of Different Options To Break 60% Electric Efficiency In Combined Cycle Power Plants" si raggiungerà in pochi anni l'importante traguardo del 60% di rendimento elettrico netto, ma successivamente saranno possibili solo progressi marginali del rendimento. Se si esaminano, infatti, i fenomeni fisici che determinano il rendimento di conversione di un ciclo combinato da un punto di vista termodinamico, appare evidente che, fra le varie irreversibilità presenti (perdite fluidodinamiche nelle turbomacchine, scambi di calore sotto differenze di temperatura non infinitesime, processi di combustione) sono proprio queste ultimi i principali imputati: fatta pari a 100 l'exergia del combustibile, circa 25 punti sono comunque persi a causa dell'irreversibilità del processo di combustione, mentre le rimanenti 15 parti sono frazionate nei rimanenti processi, ognuno dei quali da ha entità relativamente modesta e pochi margini di miglioramento.

L'unica realistica possibilità per dar vita a una seconda "rivoluzione tecnologica" nei processi di generazione di energia è l'eliminazione del processo irreversibile di combustione e la sua sostituzione con processi di ossidazione elettrochimica molto più efficienti. Accoppiando celle a combustibile ad alta temperatura (a ossidi solidi o a carbonati fusi) a cicli termodinamici appropriati, è possibile, in linea teorica, raggiungere rendimenti anche superiori al 70%. Questa visione è condivisa da grandi programmi di ricerca internazionali quali "Vision 21" del Department of Energy USA, che identificano proprio nella tecnologia dei cicli integrati di questo tipo la chiave per il raggiungimento dei massimi livelli di efficienza. Al momento attuale, sono stati proposti e realizzati alcuni esemplari di cicli "ibridi" in cui a celle a combustibile a ossidi solidi o a carbonati fusi sono state accoppiate microturbine a gas recuperative. Tali realizzazioni prototipali, della taglia di poche centinaia di kW, hanno utilizzato microturbine commerciali, non ottimizzate per l'applicazione specifica e hanno incontrato molte difficoltà operative.
La tematica di accoppiare a celle a combustibile dei cicli termodinamici più efficienti, che utilizzino turbomacchine di taglia adeguata, e quindi più efficienti, è al momento poco trattata nella letteratura scientifica internazionale. Questo è determinato da due fattori: (i) le celle a combustibile ad alta temperatura non hanno al momento raggiunto uno stadio di sviluppo, in termini di industrializzazione, affidabilità e durata, tale da lasciare intravedere a breve termine applicazioni su taglie medio-grandi e (ii) gli specialisti di celle a combustibile dedicano prioritariamente i loro sforzi e i loro interessi alla tecnologia delle celle, senza possedere le competenze specifiche di turbomacchine e di cicli di potenza per studiare cicli ibridi più avanzati. Ciò non toglie che la ricerca di soluzioni termodinamiche innovative e avanzate e l'accoppiamento ottimale di celle a combustibile con turbomacchine avanzate sia importante in una prospettiva di lungo termine: si potrebbero ottenere soluzioni ad elevatissimo rendimento che, eliminando i processi di combustione, risultano a emissione praticamente nulla. Questi sistemi sono inoltre particolarmente adatti in un'ottica futura di "economia dell'idrogeno", dal momento che le celle a combustibile sono compatibili con l'alimentazione a idrogeno.

Piu' nel dettaglio del problema oggetto della presente proposta si puo' dire che le celle a combustibile rispondono pienamente ai requisiti di cui ai punti precedenti sia in configurazione impiantistica semplice che integrate con turbine a gas.
Molti progetti di ricerca nazionali ed internazionali attualmente in corso o recentemente terminati, hanno avuto o hanno lo scopo di analizzarne le possibili configurazioni impiantistiche di detti sistemi ibridi e di studiarne le prestazioni.



Fig. 2.2.1 Schema di ricerca e sviluppo di sistemi ibridi di prima generazione (fase 1)

Il risultato di tali studi sui sistemi ibridi di prima generazione ha evidenziato:
- La particolare idoneità delle celle a combustibile ad elevata temperatura (MCFC-SOFC) per la generazione elettrica permettendo il recupero dell'energia termica dei gas di scarico.
- Il notevole incremento di prestazioni del reattore elettrochimico e l'aumento di potenza specifica per area attiva di cella allorché tale componente di impianto lavori in condizioni pressurizzate.
La prima considerazione ha portato dapprima allo studio di impianti con celle a combustibile atmosferiche integrate con turbine a gas (sistemi ibridi atmosferici). Tale integrazione avviene tramite l'utilizzo di uno scambiatore di calore operante ad elevate temperature. Questo impianto presenta una configurazione simile ai sistemi a combustione esterna ove la camera di combustione è sostituita dalla cella a combustibile. Benché con rendimenti più elevati l'impianto ibrido atmosferico ha comunque gli stessi aspetti critici degli impianti a combustione esterna che risiedono soprattutto nei costi e negli ingombri dello scambiatore (ceramico) e della cella a combustibile.
Per ovviare a tali inconvenienti e per sfruttare l'incremento di prestazioni delle celle a combustibile con l'aumento della pressione operativa, sono in studio sistemi ibridi "pressurizzati". In questo caso l'integrazione con la turbina a gas avviene inserendo la cella all'uscita del compressore o del recuperatore, se presente. In tal modo il reattore elettrochimico sostituisce virtualmente la camera di combustione della turbina a gas e lo sfruttamento dell'entalpia dei gas di scarico avviene direttamente nell'espansore. Per quest'ultimo tipo di impianto studi teorici hanno evidenziato la possibilità di raggiungere valori di efficienza superiori al 60% anche per taglie di impianto ridotte, adatte alla generazione distribuita, ovvero superiori al 65-70% per taglie di alcune decine di MW.
Benché, come detto, molto promettenti i sistemi ibridi, sia con celle a combustibile a carbonati fusi che con celle ad ossidi solidi, hanno evidenziato alcuni aspetti critici tra cui:
- Elevati costi di impianto dovuti principalmente al costo della cella a combustibile e degli ausiliari di sistema
- Criticità derivanti dall'integrazione delle turbine a gas con celle a combustibile che presentano notevoli volumi ed elevate inerzie termiche
- Necessità di un adeguato sistema di controllo che permetta la gestione del sistema durante le variazioni del carico, gli avviamenti e gli spegnimenti. Tale sistema ha lo scopo mantenere l'impianto in condizioni di funzionamento ottimali dal punto di vista delle prestazioni e della sicurezza operativa evitando, ad esempio, l'insorgere di gradienti termici e di pressione dannosi per la cella a combustibile.
Tali aspetti, evidenziati principalmente da simulazioni impiantistiche, sono attualmente in studio tramite sperimentazioni, finalizzati in particolare sulle problematiche di integrazione delle turbine a gas con le celle a combustibile.
In questo quadro le iniziative più importanti sono state promosse da costruttori italiani ed esteri tra i quali Ansaldo Fuel Cells (I), Fuel Cell Energy (USA), Siemens-Westinghouse (USA), Rolls-Royce Fuel Cell Systems (UK), Mitsubishi Heavy Industries, Hitachi (J) oltre a costruttori Coreani.
In particolare Ansaldo Fuel Cells sta sperimentando un impianto da 500 kW con cella a carbonati fusi integrata con microturbina a gas recuperata; Siemens-Westinghouse ha effettuato la sperimentazione di un prototipo di impianto ibrido da 250 kW con cella a combustibile ad ossidi solidi integrata con una turbina a gas commerciale.
Rolls-Royce Fuel Cell Systems sta sperimentando particolari celle ad ossidi solidi (IP-SOFC)che permettono una drastica riduzione dei costi, integrate in un impianto ibrido di concezione innovativa (senza scambiatori di calore).
In Giappone, presso il centro di ricerca NEDO (New Energy and Industrial Technology Development Organization), si stanno sviluppando sistemi pressurizzati con celle ad ossidi solidi tubolari da 350 kW, in collaborazione con la Mitsubishi Heavy Industries e cogenerativi da 20 kW con la Hitachi. Progetti simili sono attualmente in atto anche in Corea presso l'Aerospace Research Institute e negli Stati Uniti presso il National Energy Technology Laboratory.
Per ovviare agli elevati costi degli apparati necessari per la sperimentazione, enti di ricerca stranieri tra i quali il DOE (Department of Energy) in collaborazione con Fuel Cell Energy, stanno lavorando su impianti definiti emulatori. Tali sistemi, dotati di particolari soluzioni impiantistiche, permettono lo studio del comportamento del gruppo compressore-turbina e di altri componenti dell'impianto in condizioni simili a quelle in cui si troverebbero ad operare nel sistema ibrido evitando l'impiego di componenti molto costosi e delicati quali gli stack di celle.



Fig. 2.2.2 Schema di ricerca e sviluppo di sistemi ibridi di prima generazione (seconda fase).

Il progetto integrato "FELICITAS" (Aprile 2005-FP-VI-UE), tra i cui partners spiccano costruttori quali Ballard e Rolls-Royce Marine, prevede la costruzione di un impianto sperimentale composto da microturbina a gas integrata con emulatore di circuito catodico presso il centro di ricerca UTC Rolls-Royce dell'Università di Genova. Presso lo stesso centro di ricerca sono già attualmente in funzione un apparato sperimentale di simulazione di circuito anodico ed uno in scala di sistema catodico, ma dove anche le turbomacchine vengono opportunamente emulate. <<<