Consiglio Nazionale delle Ricerche Istituto di Tecnologie Avanzate per lEnergia Nicola Giordano...

Consiglio Nazionale delle Ricerche

Istituto di Tecnologie Avanzate per l’Energia “Nicola Giordano”


F. Cipitì, V. RecuperoF. Cipitì, V. Recupero

Istituto di Tecnologie Avanzate per l’Energia “Nicola Giordano”, MessinaIstituto di Tecnologie Avanzate per l’Energia “Nicola Giordano”, Messina

Torino, 16 giugno 2004

Idrogeno: filiera e tecnologie correlate

Sistemi per la produzione di Idrogeno da Sistemi per la produzione di Idrogeno da combustibili fossili tradizionali per l’utilizzo in combustibili fossili tradizionali per l’utilizzo in

celle a combustibile ad elettrolita polimerico celle a combustibile ad elettrolita polimerico (PEFC)(PEFC)



1.1. IntroduzioneIntroduzione

CombustibiliCombustibili2.2.

Processi di reformingProcessi di reforming3.3.

CO clean-upCO clean-up4.4.

Stato dell’arteStato dell’arte5.5.

HYGen I – ITAE’s HYdrogen Generator PrototypeHYGen I – ITAE’s HYdrogen Generator Prototype7.7.

ConclusioniConclusioni8.8.

SteamSteam Reforming (SR) Reforming (SR)

Partial Oxidation (POX)Partial Oxidation (POX)

Autothermal Reforming (AR)Autothermal Reforming (AR)

SommarioSommario

Programmi internazionali e nazionaliProgrammi internazionali e nazionali6.6.









Steam Reforming (SR)Steam Reforming (SR)



SommarioSommario1.1. IntroduzioneIntroduzione




Dove si può utilizzare?Dove si può utilizzare?

H2

Sistemi PortatiliSistemi PortatiliCelle a combustibileCelle a combustibilea bassa temperaturaa bassa temperatura

TrasportoTrasportoCelle a combustileCelle a combustile

a bassa temperaturaa bassa temperatura

StazionarioStazionarioCelle a combustibileCelle a combustibile

IntroduzioneIntroduzione

H2



EXHAUSTEXHAUST

FUELFUEL

WATER WATER MANAGEMENTMANAGEMENT

EXHAUSTEXHAUST

D.C. ENERGYD.C. ENERGY

HEAT HEAT MANAGEMENTMANAGEMENT

HEATHEAT

UTILIZATIONUTILIZATION

FUEL CELLFUEL CELL

STACKSTACK

WATER TANKWATER TANK

AIRAIR

PEFC SystemPEFC System


ReformingReforming ShiftShiftCOCO

clean-upclean-up

Fuel processorFuel processor



È la chiave per una veloce e rapida commercializzazione delleÈ la chiave per una veloce e rapida commercializzazione delle

fuel cells, superando il problema dell’infrastruttura per l’idrogenofuel cells, superando il problema dell’infrastruttura per l’idrogeno

È possibile ricavare l’idrogeno da combustibili diversi:È possibile ricavare l’idrogeno da combustibili diversi:metanolo/etanolometanolo/etanolometanometanobenzina/gasoliobenzina/gasolioLPGLPGnaftanafta

Processi utilizzati

OSSIDAZIONEOSSIDAZIONE

PARZIALE (POX)PARZIALE (POX)

STEAM REFORMINGSTEAM REFORMING

(SR)(SR)

AUTOTHERMALAUTOTHERMAL

(AR)(AR)

Il Fuel ProcessorIl Fuel Processor




Richieste di unRichieste di unFuel Processor per FCFuel Processor per FC

Obiettivi di efficienza per:Obiettivi di efficienza per:A.A.

Conversione del combustibile in idrogenoConversione del combustibile in idrogeno

Bilanci energetici del sistema complessivoBilanci energetici del sistema complessivo

Abbattimento del COAbbattimento del CO

Comportamento in fase di start-up – shut-downComportamento in fase di start-up – shut-downB.B.

Costi competitiviCosti competitiviF.F.

EmissioniEmissioniC.C.

Comportamento in condizioni non stazionarieComportamento in condizioni non stazionarieD.D.

Dimensioni (ingombri, peso)Dimensioni (ingombri, peso)E.E.




CombustibiliCombustibili

Combustibili perCombustibili perFuel CellFuel Cell

NUCLEARNUCLEARSOLARSOLAR

WATER/WINDWATER/WIND

BIOMASSBIOMASS

WASTESWASTESCOALCOALCNG CNG OILOIL

PrimaryPrimaryEnergyEnergy

GASOLINEGASOLINE METHANOLMETHANOL HYDROGENHYDROGENSecondarySecondary

EnergyEnergy

FUEL CELLFUEL CELL

POXPOX AUTOTHERMALAUTOTHERMAL STEAM R.STEAM R.On-boardOn-board

Fuel Fuel ProcessingProcessing



Classificazione Classificazione dei dei

Fuel ProcessorsFuel Processors


In accordo al Combustibile…

Gas NaturaleGas Naturale

Alto contenuto di Idrogeno, l’accumulo e la Alto contenuto di Idrogeno, l’accumulo e la distribuzione possono essere problematici.distribuzione possono essere problematici.

MetanoloMetanolo

Relativamente facile da riformare, accumulare, Relativamente facile da riformare, accumulare, distribuire.distribuire.

BenzinaBenzina

Infrastruttura corrente, alta temperatura di Infrastruttura corrente, alta temperatura di reforming, prodotti secondari.reforming, prodotti secondari.



Produzione dell’idrogeno Produzione dell’idrogeno dal gas naturale (metano)dal gas naturale (metano)


VantaggiVantaggi SvantaggiSvantaggi

Tecnologia serbatoio accumulo Tecnologia serbatoio accumulo sviluppata.sviluppata.

Infrastruttura sufficientemente Infrastruttura sufficientemente distribuita sul territorio.distribuita sul territorio.

Relativa semplicità di trasformazione Relativa semplicità di trasformazione con assenza di prodotti secondari.con assenza di prodotti secondari.

Composizione omogeneaComposizione omogenea

Reformer non completamente Reformer non completamente sviluppato per un utilizzo on board.sviluppato per un utilizzo on board.

Necessità di unità di desolforazione.Necessità di unità di desolforazione.

Accumulo in serbatoi a pressione.Accumulo in serbatoi a pressione.



Produzione dell’idrogeno Produzione dell’idrogeno dal metanolodal metanolo


VantaggiVantaggi SvantaggiSvantaggi Il combustibile liquido in condizioni Il combustibile liquido in condizioni

ambiente consente:ambiente consente:

-- Serbatoio compatto, leggero Serbatoio compatto, leggero ed ed economicoeconomico

- Più semplice sviluppo di - Più semplice sviluppo di infrastrutture rispetto ai infrastrutture rispetto ai

combustibili gassosi.combustibili gassosi.

Relativa semplicità di trasformazione Relativa semplicità di trasformazione con aumento dell’efficienza del con aumento dell’efficienza del sistema.sistema.

Composizione omogenea del Composizione omogenea del combustibile.combustibile.

Possibilità di ottenerlo da fonti Possibilità di ottenerlo da fonti rinnovabili con conseguente rinnovabili con conseguente miglioramento dei problemi di risorse miglioramento dei problemi di risorse energetiche, qualità dell’aria, effetto energetiche, qualità dell’aria, effetto serra.serra.

Carenza infrastruttureCarenza infrastrutture

TossicoTossico




Produzione dell’idrogeno Produzione dell’idrogeno dalle benzinedalle benzine


VantaggiVantaggi SvantaggiSvantaggi

Infrastrutture disponibili.Infrastrutture disponibili.

Serbatoio compatto, leggero, Serbatoio compatto, leggero, economicoeconomico


Presenza di aromatici. Presenza di aromatici.

Formazione di prodotti secondari.Formazione di prodotti secondari.

Rese in idrogeno inferiori.Rese in idrogeno inferiori.



Processi di reformingProcessi di reforming

Classificazione Classificazione dei dei

Fuel ProcessorsFuel Processors

In accordo al tipo di Reazione…

Steam ReformingSteam Reforming

Reagisce con acqua, endotermica, trasferimento di Reagisce con acqua, endotermica, trasferimento di calore indiretto, bassa temperatura, alta efficienza.calore indiretto, bassa temperatura, alta efficienza.

Ossidazione ParzialeOssidazione Parziale

Reagisce con ossigeno, esotermica, alta Reagisce con ossigeno, esotermica, alta temperatura, rapido start up, compatto.temperatura, rapido start up, compatto.

Reforming AutotermicoReforming Autotermico

Combina steam reforming ed ossidazione parziale, Combina steam reforming ed ossidazione parziale, no extra riscaldamento o raffreddamento.no extra riscaldamento o raffreddamento.



Steam ReformingSteam Reforming


tale reazione è endotermica, quindi necessita di una sorgente di calore

la temperatura dipende dal tipo di idrocarburi utilizzato

alla fase di reforming segue la fase cosiddetta di “shift” in cui si forma ulteriore idrogeno secondo la reazione:

tale reazione è equimolecolare ed esotermica e viene solitamente fatta avvenire in due stadi diversi, uno ad alta e l’altro a bassa temperatura

CCnnHH2n+22n+2 + nH + nH22O = nCO + (2n+1)HO = nCO + (2n+1)H22

CO + HCO + H22O = COO = CO22 + H + H22

Per un generico idrocarburo:Per un generico idrocarburo:




Ossidazione Ossidazione ParzialeParziale

tale reazione è esotermica, non richiede quindi un apporto separato di calore

La percentuale in volume di CO nei gas uscenti è elevata, circa il 30% in volume dei prodotti formati, pertanto anche in questo caso è necessario un secondo stadio di “shift” (HTSR e LTSR) per ridurre la concentrazione di CO

CCnnHHmm + n/2 O + n/2 O22 = n CO + m/2 H = n CO + m/2 H22




Autothermal Autothermal ReformingReforming


x rappresenta il rapporto tra aria e combustibile; da esso dipende: la quantità di acqua necessaria a convertire il CO in CO2 le moli di idrogeno prodotte la concentrazione di idrogeno nei gas in uscita il calore di reazione

se x = 0 l’equazione rappresenta la reazione di steam reforming

se x = [n-(p/2)+(m/4)] l’equazione rappresenta la reazione di combustione

le condizioni di autothermal reforming si hanno in corrispondenza del valore di x che rende nullo il bilancio termico: il calore generato dalla reazione di ossidazione viene utilizzato dalla reazione di steam reformer


CCnnHHmmOOpp + x(O + x(O22+3.76N+3.76N22) + (2n–2x–p)H) + (2n–2x–p)H22O = nCOO = nCO22 + (2n-2x-p+m/2)H + (2n-2x-p+m/2)H22 + + 3.76xN3.76xN22



Fattori chiaveFattori chiave


Qualità dell’IdrogenoQualità dell’IdrogenoA.A.

Stabilità della conversioneStabilità della conversioneB.B.

Start up e shut downStart up e shut downC.C.

Risposte nei transitoriRisposte nei transitoriD.D.

Densità di potenzaDensità di potenzaE.E.



Sistema diSistema diCO Clean-up a due stadiCO Clean-up a due stadi

CO Clean-upCO Clean-up

Low Temperature Shift Converter (LTSC)Low Temperature Shift Converter (LTSC)1.1.

CO + HCO + H22O O CO CO22 + H + H22 H = - 40.6 kJ/mol

Preferential Oxidation (PrOx)Preferential Oxidation (PrOx)2.2.

CO + ½ OCO + ½ O22 CO CO22

HH22 + ½ O + ½ O22 HH22OO

H = - 242 kJ/mol

H = - 283 kJ/mol



Purificazione Purificazione dell’Idrogenodell’Idrogeno

CO Clean-upCO Clean-up

Metodi FisiciMetodi Fisici Metodi ChimiciMetodi Chimici

PSA (Pressure Swing Adsorption) PSA (Pressure Swing Adsorption)

Membrane:Membrane:

- metalliche (Pd o leghe)- metalliche (Pd o leghe)

- polimeriche- polimeriche

- ceramiche- ceramiche

PROXPROX

MetanazioneMetanazione



Stato dell’arteStato dell’arte

Fuel Processor 50 kW Fuel Processor 50 kW benzinabenzina

(Dati PNGV)(Dati PNGV)

DurataDurata(ore)(ore)

EmissioniEmissioni

Densità di potenza/Potenza specificaDensità di potenza/Potenza specifica(W/l, W/kg)(W/l, W/kg)

Efficienza Efficienza energeticaenergetica

(%)(%)

Risposte al transitorioRisposte al transitorio(10-90% Potenza)(10-90% Potenza)

(sec)(sec)

Start-up – Potenza maxStart-up – Potenza max(min)(min)

Contenuto di CO Contenuto di CO (stato stazionario)(stato stazionario)

(ppm)(ppm)

CostiCosti($/kW)($/kW)

5.0005.000

8080

1010

10*10*

< 0.5< 0.5

Cerchio interno Obiettivi 2000Cerchio esterno Obiettivi 2004Asterisco Stato attuale

11

750750

<Tier II*<Tier II*

2.0002.000

78*78*

3030< 1< 1

600600

33

1.000*1.000*

85*85*6*6*

15*15*

300*300*



Processi di ReformingProcessi di Reforming

SOCIETÀSOCIETÀ CARBURANTECARBURANTE REFORMINREFORMINGG

Processi di Processi di conversione conversione

COCO Stato della Stato della tecnologiatecnologia

capacità maxcapacità max

(densità di (densità di potenza)potenza)WGSRWGSR PROPRO

XX

ADL/EPYX Benzina/Metanolo POX 50 kW (0.7 kW/l)

Daimler Benz Metanolo/Benzina SR 50 kW (1.1 kW/l)

General Motors Metanolo/Benzina SR 30 kW (0.5 kW/l)

Honda Metanolo SR

Hydrogen Burner Tech Benzina POX 7-42 kW

IFC Metanolo/Benzina SR/POX 100 kW (0.008

kW/l)

JET Propulsion lab. Benzina POX

Johnson Matthey Metanolo/Benzina SR/POX 10 kW (0.5 kW/l)

Mitsubishi Metanolo SR 10 kW (0.4 kW/l)

Nissan Metanolo SR

Toyota Metanolo SR 25 kW (0.6 kW/l)

Wellman CJB Benzina/Metanolo POX




Applicazioni mobiliApplicazioni mobiliH2

Honda EV Plus - Honda EV Plus - 2002 Idrogeno 2002 Idrogeno

compresso compresso (disponibile per (disponibile per

leasing)leasing)

BMW Mini HydrogenBMW Mini Hydrogen - - 2001 motore 2001 motore

combustione interna combustione interna Idrogeno liquidoIdrogeno liquido

DaimlerChrysler: Citaro Bus – 2002 DaimlerChrysler: Citaro Bus – 2002 Idrogeno compresso (Madrid)Idrogeno compresso (Madrid)

Toyota FCHV 5 – 2001 Toyota FCHV 5 – 2001 Idrogeno da reforming della Idrogeno da reforming della

benzinabenzina




Applicazioni mobiliApplicazioni mobiliH2

CRF: Centro Ricerche FIATCRF: Centro Ricerche FIATFiat Seicento – IdrogenoFiat Seicento – Idrogeno

Presentazione ufficiale:Presentazione ufficiale:Milano - ottobre 2003Milano - ottobre 2003

Numero posti: 4Numero posti: 4

Velocità max: 130 km/hVelocità max: 130 km/h

Autonomia: 220 km (ciclo urbano)Autonomia: 220 km (ciclo urbano)

Capacità serbatoio: 1,6 kgCapacità serbatoio: 1,6 kg

Costi di investimento: 500mila euroCosti di investimento: 500mila euro

Caratteristiche principali:




Applicazioni stazionarieApplicazioni stazionarieH2

Ballard Power System: Impianto Ballard Power System: Impianto PEFC 250 kWe Gas naturalePEFC 250 kWe Gas naturale9 unità tra il 1999 e il 2004 9 unità tra il 1999 e il 2004

Berlin, Berlin, GermanyGermany

Crane, Crane, IndianaIndiana

IdaTech FCS NG – 5 kWe IdaTech FCS NG – 5 kWe Gas naturale o propanoGas naturale o propano

20 unità 2001 – 80 unità 200220 unità 2001 – 80 unità 2002

Nuvera Fuel CellsNuvera Fuel Cells

Unità PEFC 5 kWeUnità PEFC 5 kWeGas naturale o Gas naturale o

PropanoPropano

Unità PEFC 1 Unità PEFC 1 kWe IdrogenokWe Idrogeno

PlugPower GenSysPlugPower GenSys5 kWe - Gas naturale5 kWe - Gas naturale

13 unità in Europa13 unità in Europa




L’impegno del CNR-ITAEL’impegno del CNR-ITAEH2

Prototipo di generatore di idrogenoPrototipo di generatore di idrogeno

da 5 kWe alimentato a Propanoda 5 kWe alimentato a Propano




Obiettivi DOE per le celle a Obiettivi DOE per le celle a combustibile nel trasporto combustibile nel trasporto

(PEFC)(PEFC)Entro il 2004, sviluppo e validazione delle tecnologie di sistemi di Entro il 2004, sviluppo e validazione delle tecnologie di sistemi di potenza di fuel-flexible fuel cell al fine di raggiungere in confronto al potenza di fuel-flexible fuel cell al fine di raggiungere in confronto al motore a combustione interna:motore a combustione interna:

costi, prestazioni, durata, sicurezza ed affidabilità competitivi

Strategie seguite:

On-Board:On-Board: Fuel flexible fuel processor (con le attuali infrastrutture per i combustibili)

obiettivo primario: Combustibile-benzina

Off-BoardOff-Board: Generazione di idrogeno (nuove infrastrutture per i combustibili che portino ad una energia rinnovabile e sostenibile)

accumulo di H2 On-Board

generazione di H2 Off-Board

Programmi internazionali e nazionaliProgrammi internazionali e nazionali



PNGV TimelinePNGV Timeline

19931993 19971997 19981998 20002000 20042004TechnologyTechnologyCandidatesCandidates Hybrid-Electric Fuel Cells CIDI Engines Turbines Stirling Low Emissions Technologies New Materials Advanced design

Simulations Efficient Electronics/

Electrical Devices Advanced Batteries Ultra-Capacitors/

Flywheels

TechnologyTechnologyDownselectDownselect Hybrid-Electric

Vehicle Drive Direct-InJection

Engines Fuel Cells Lightweight Mat’Is

ConceptConceptVehiclesVehicles

DaimlerChryslerJeep Commander

Ford P2000GM Precept

PRODUCTION PRODUCTION PROTOTYPESPROTOTYPES




California Fuel California Fuel Cell Project 1999-Cell Project 1999-

20042004

GOVERNMENT MEMBERSGOVERNMENT MEMBERSFUELFUEL

PROVIDERSPROVIDERSAUTO/TECHNOLOGY AUTO/TECHNOLOGY

PROVIDERSPROVIDERS

California Air Resources Board BP (originally Arco) DaimlerChrysler

California Energy Commission Shell Hydrogen Ford Motor CompanySouth Coast Air Quality Man. Dist. Texaco Honda

US Department of Energy Methanex* HyundaiUS Department of Transportation Air Products* Nissan

AC Transit Agency* Linde, AG* VolkswagenSunLine Transit Agency* Praxair* Ballard Power Systems

*Associate member International Fuel Cell (IFC)




California Fuel California Fuel Cell Project 1999-Cell Project 1999-

20042004

Light-Duty Demonstration ActivityLight-Duty Demonstration Activity FuelsFuels ScheduleSchedulePhase I Program development NA 1999

Phase II Up to 20 light-duty vehicles demonstrated Hydrogen 2000 to

2001

Phase III Up to 56 light-duty vehicles demonstrated

MeOH/Gasol.

2002 to 2003

Transit Bus Demonstration ActivityTransit Bus Demonstration Activity FuelsFuels ScheduleSchedule

Phase I 1 FC bus demonstrated (SunLine) Hydrogen 2000 to 2001

Phase II 4 FC buses in two transit districts Hydrogen 2002

Phase III 20 FC buses in four transit districts Hydrogen 2002 to 2003




The FreedomCAR PartnershipThe FreedomCAR Partnership

Progetto partito nel Gennaio 2002Progetto partito nel Gennaio 2002

- Partners: U.S. Department of Energy

U.S. Council for Automotive Research

Approccio:Approccio:

- Sviluppare tecnologie in grado di garantire una produzione in massa di veicoli a celle a combustibile ed assicurare una adeguata infrastruttura per l’idrogeno

- Sviluppare tecnologie in grado di garantire sia l’accumulo che la produzione di idrogeno on board.




Il VI Programma Quadro diIl VI Programma Quadro diRicerca & Sviluppo TecnologicoRicerca & Sviluppo Tecnologico

Spazio Europeo della Ricerca – Un’economia basata sulla Spazio Europeo della Ricerca – Un’economia basata sulla conoscenzaconoscenza

Necessità di investire per migliorare i fattori competitivi dell’Unione attraverso la creazione di una “riserva” di conoscenza da utilizzare a medio-lungo termine

Importanza crescente della R&S

Principi basePrincipi base

Focalizzazione, integrazione, numero limitato di priorità, miglioramento dell’impatto

Effetto strutturale (sostenibilità successiva)

Progetti multipli (programmi coerenti)

Approccio problem solving (coerenza tra obiettivi e attività)



Il VI Programma Quadro diIl VI Programma Quadro diRicerca & Sviluppo TecnologicoRicerca & Sviluppo Tecnologico

INTEGRARE LA RICERCA (13.345 MEUR)INTEGRARE LA RICERCA (13.345 MEUR)Aree tematiche prioritarie

Genomica e biotecnologie per la salute (2.255 MEUR)

Tecnologie per la società dell’informazione (3.625 MEUR)

Nanotecnologie…, materiali…, processi di produzione (1.300 MEUR)

Aeronautica e spazio (1.075 MEUR)

Qualità, sicurezza alimentare e rischi per la salute (685 MEUR)

Sviluppo sostenibile, cambiamento globale ed ecosistemi (2120 MEUR)

Energia (810 MEUR)

Trasporti (610 MEUR)

Cambiamento globale ed ecosistemi (700 MEUR)

Cittadini e governance nella società europea della conoscenza (225 MEUR)

Attività specifiche riguardanti un settore di ricerca più ampio (1.300 MEUR)



Programma MIUR (1999-Programma MIUR (1999-2002)2002)

Sviluppo di un Sviluppo di un sistema di generazione completo di sistema di generazione completo di potenza 10-15 kWpotenza 10-15 kW che utilizza gas naturale come che utilizza gas naturale come combustibilecombustibile

Organizzazioni coinvolte nel programmaOrganizzazioni coinvolte nel programma

ENEA, CNR-ITAE, Nuvera Fuel Cells, Centro Ricerche Fiat, Politecnico di Milano, Università di Brescia, Genova e Roma

CostoCosto

3.744.312 Euro (contributo MIUR 44%)

CNR-ITAECNR-ITAE

Progettazione e realizzazione di un prototipo di generazione di idrogeno




Programma FISR (bando Programma FISR (bando 2001)2001)

Attività 2003-2004Attività 2003-2004

Sviluppo di tecnologie e componenti per sistemi Sviluppo di tecnologie e componenti per sistemi con Celle a Combustibile ad elettrolita polimericocon Celle a Combustibile ad elettrolita polimerico

Organizzazioni coinvolte nel programmaOrganizzazioni coinvolte nel programma

ENEA, CNR-ITAE, Roen Est, Università di Messina, Genova, Salerno, istituto CNR Motori, Istituto CNR Combustione, Politecnico Torino.

Costo totale progetto: 2.875.632 Euro (contributo MIUR 49%)

Sottoprogetto SP2:Sottoprogetto SP2:

Sviluppo catalizzatori per sistemi di trattamento del combustibile (GPL)

Costo: 624.910 Euro





Key featuresKey features

The Prototype is currently under testing

Feed: Light Hydrocarbons (propane, methane, LPG)

Net Size (mm) Width:Width: 870870

Length:Length: 880880

Height:Height: 970970

Theoretical Efficiency

(Hydrogen HHV/Propane HHV):76%76%

Nominal Hydrogen Production: 2 Nm2 Nm33/h/h

Maximum Hydrogen Production: 5 Nm5 Nm33/h/h

Applications: Stationary

HYGen I – ITAE’s HYdrogen GeneratorHYGen I – ITAE’s HYdrogen Generator



ObjectivesObjectives

Evaluating Reactors PerformanceEvaluating Reactors Performance

Evaluating System PerformanceEvaluating System Performance

Evaluating Transient ResponsesEvaluating Transient Responses

Identifying main limits of ReactorsIdentifying main limits of Reactors

Validating Heat and Mass BalanceValidating Heat and Mass Balance




Planning StagesPlanning Stages1.1. Chemical Processes AnalysisChemical Processes Analysis

Schematic Layout AnalysisSchematic Layout Analysis2.2.

Preliminary MeasuringPreliminary Measuring3.3.

3-D Model Design3-D Model Design4.4.

Chemical Processes SimulationChemical Processes Simulation5.5.

Screening Chemical ProcessesScreening Chemical Processes

Analysis of the Accessibility for Maintenance WorkAnalysis of the Accessibility for Maintenance Work

Analysis of the Functionality – Aesthetics Relationship Analysis of the Functionality – Aesthetics Relationship

Prototype AssemblyPrototype Assembly6.6.

Experimental AnalysisExperimental Analysis7.7.




Inspiring principles…

Fuel Processor Fuel Processor ApproachingApproaching

We are sure that…

Everything is improvableEverything is improvable

Complex answers are in simple questionsComplex answers are in simple questions

“ “Project Dynamics”Project Dynamics”

Continuous and Parallel “Information Update”Continuous and Parallel “Information Update”

“ “Results flexibility” – (scale - up)Results flexibility” – (scale - up)

Identifying and Optimization “Planning Stages”Identifying and Optimization “Planning Stages”




Chemical Processes’ Chemical Processes’ Study: ObjectivesStudy: Objectives

Developing Prioprietary CatalystDeveloping Prioprietary Catalyst

suitable for AutoThermal Reforming (ATR)suitable for AutoThermal Reforming (ATR)

Searching and Selecting Commercial CatalystSearching and Selecting Commercial Catalyst

suitable for Preferential Oxidation (PROX)suitable for Preferential Oxidation (PROX)

Searching and Selecting Commercial Catalyst Searching and Selecting Commercial Catalyst

suitable for Water Gas Shift Reaction (WGSR)suitable for Water Gas Shift Reaction (WGSR)




We worked with…

The Engineering The Engineering Approach to the Fuel Approach to the Fuel

ProcessorProcessor

Excel SpreadsheetExcel Spreadsheet

Preliminary Measuring.Preliminary Measuring.

CAD 2-D, 3-D ModelingCAD 2-D, 3-D Modeling

Schematic Layout and System Design.Schematic Layout and System Design.

FEMLAB SimulationFEMLAB Simulation

Mathematic Modeling.Mathematic Modeling.

LabVIEWLabVIEW

Data Acquisition and Instruments Data Acquisition and Instruments Control.Control.




Piping and Piping and InstrumentationInstrumentationDiagram (P&ID)Diagram (P&ID)




ATR ReactorATR Reactor PROX ReactorPROX ReactorIT SHIFT ReactorIT SHIFT Reactor

Heat Exchangers “Plates in Heat Exchangers “Plates in Shell”Shell”

PEFC StackPEFC Stack

C3H8+X(O2+3.76 N2)

Out ATR Out ATR Composition on Composition on

dry basis, Ndry basis, N22 freefree

HH22 56.16 % 56.16 %

COCO22 25.00 %25.00 %

COCO 18.48 %18.48 %

Water ReservoirWater Reservoir

Out IT SHIFT Out IT SHIFT Composition on Composition on dry basis, N2 dry basis, N2

freefree

HH22 62.18 62.18 % %

COCO22 36.10 36.10 %%

CO 0.8 %CO 0.8 %

Out PROX Out PROX Composition on Composition on

dry basis, Ndry basis, N22 freefree

HH22 60.74 % 60.74 %

COCO22 36.80 %36.80 %

COCO 10 ppm10 ppm

CC33HH88 1.20 %1.20 %

OO22 2.30 %2.30 %

1921.6 kcal/h (Heat Reaction)



AIR

744.7 kcal/h (Heat Transfer)

521.0 kcal/h (Heat Transfer)

549.1 kcal/h (Heat Add)

910.2 kcal/h (Heat Less)

521.0 kcal/h (Heat Less)

HYGen IHYGen IHHVHHV= = 76%76%

Temperature:600600°C°C Temperature:330330

°C°C

Temperature:120120°C°C


Expected Heat and Mass BalanceExpected Heat and Mass Balance




SizeSize

Net Size (mm)Net Size (mm)

Width:Width: 870870



Width:Width: 970970



Gross Size (mm)Gross Size (mm)




Panel ControlPanel Control




Feed and TestingFeed and Testing




Out to Vent andOut to Vent andto PEFC Stackto PEFC Stack




Conceptual DesignConceptual Designand Pictureand Picture





ATR Reactor:ATR Reactor:inlet & outlet inlet & outlet

gasgas

GasGasoutout

GasGasinin




ATR ReactorATR Reactor

Internal Volume:Internal Volume: ca. 0.85 ca. 0.85 ll

Weight:Weight: ca. 7.0 kgca. 7.0 kg




ATR ReactorATR Reactor

ITAE’s Proprietary ITAE’s Proprietary catalystcatalyst

Micro-scale TestsMicro-scale Tests




Heat Exchanger Heat Exchanger “Plates in Shell”“Plates in Shell”

Internal Volume:Internal Volume: 4,3 4,3 ll

Weight (dry):Weight (dry): ca. 22,6 kgca. 22,6 kg

Internal Volume:Internal Volume: 9,3 9,3 ll





Water Water ReservoirReservoir


Water capability:Water capability: ca. ca. 22,0 l22,0 l




Phase IIPhase II Take off superior panelTake off superior panel

Phase III Phase III Take off lateral panelsTake off lateral panels

Open box Field Point Open box Field Point SystemSystem

Open anterior panelOpen anterior panel

Accessibility forAccessibility forMaintenance WorkMaintenance Work

Phase IPhase I




Femlab Chemical Process Femlab Chemical Process Simulation: ObjectivesSimulation: Objectives

Reagents and products Concentration Profiles in the reactorsReagents and products Concentration Profiles in the reactors

Temperature Profiles in the reactorsTemperature Profiles in the reactors

Pressure Profiles and Velocity Distribution in the reactorsPressure Profiles and Velocity Distribution in the reactors

Mass balancesMass balances

Energy balancesEnergy balances

Momentum balancesMomentum balances




Mathematic ModelingMathematic Modeling

Model ImplementationModel Implementation

Solve coupled systems of nonlinearSolve coupled systems of nonlinear

Partial Differential Equations throughPartial Differential Equations through

the Finite Element Methods (FEM)the Finite Element Methods (FEM)

Experimental ValidatingExperimental Validating

Parametric AnalysisParametric Analysis

Termochemical Reactions AnalysisTermochemical Reactions Analysis

Kinetics Reactions AnalysisKinetics Reactions Analysis

Femlab Chemical Process Femlab Chemical Process Simulation: StepsSimulation: Steps




Develop Dedicated Software using LabVIEWDevelop Dedicated Software using LabVIEW

Integration of the systemIntegration of the system

with the measurement Hardwarewith the measurement Hardware

Data Acquisition and Instruments ControlData Acquisition and Instruments Control

Results Elaboration Results Elaboration

Develop Flow-chart of the process phasesDevelop Flow-chart of the process phases

Definition Control PanelsDefinition Control Panels

Develop Architecture SoftwareDevelop Architecture Software

Experimental Study:Experimental Study:StepsSteps





LabVIEW System:LabVIEW System:

Data acquisition And Instruments Data acquisition And Instruments ControlControl




Dedicated Software:Dedicated Software:Main Panel – Individual Main Panel – Individual

orderorder




Dedicated Software:Dedicated Software:Electrovalves Panel-Electrovalves Panel-

SystemSystem




Safety LevelsSafety Levels

Protection DevicesProtection Devices Safety DevicesSafety DevicesControl DevicesControl Devices

Allow to read temperature and

pressure

Active when the controlled

parameter reach a limit value

Activated by controlled fluid and allow to maintain temperature and pressure in the

fixed range

Active Control Passive Control

Safety valve

Gas Sensor

Manometer

Monitor

Electrovalves

Pressure

Pressure

Temperature

Pressure

Backfire

Pressure

Temperature

Manostat

Pressure




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