Potenzialità di integrazione dei sistemi SOFC nella cogenerazione di gas da biomasse - Marialaura...

REPUBBLICA ITALIANA

Cagliari, 20 novembre 2015

POTENZIALITÀ DI INTEGRAZIONE DEI SISTEMI SOFC NELLA COGENERAZIONE

DI GAS DA BIOMASSE

Marialaura Lucariello, Fabio SerraSardegna Ricerche

http://europa.eu/index_it.htm

http://europa.eu/index_it.htm

AREA 1

Sistemi Energetici Integrati e Innovativi

Progetto 1.2. Materiali per lo stoccaggio e la generazione

elettrochimica.

Progetto 1.2.2 Studio delle prestazioni

dei materiali di cui è composto un CHP

SOFC commerciale in funzione della

composizione del gas combustibile e

delle condizioni operative di lavoro.

Progetto Cluster Energie Rinnovabili

Fasi del progetto

WP1

• WP 1: Attività di informazione sullo stato dell’arte dellatecnologia SOFC.

WP2• WP 2: Progettazione del set-up sperimentale.

WP3

• WP 3: Valutazione delle prestazioni di una cella SOFC infunzione della composizione del biogas/syngas che la alimenta.

WP4

• WP 4: Analisi comparativa dei risultati ottenuti, delle criticità emerse e divulgazione dei risultati sperimentali.

Temperatura di lavoro: 800 – 1000 °C

Applicazioni stazionarie 100 kW ÷ 3 MW / residenziali 1 ÷ 5 kW

Rendimento fino al 60%

Reazioni Anodica2H2 + 2O2-

2H2O + 4e-

2CO + O2- 2CO2 + 4e-

Reazione CatodicaO2 + 4e-

2O2-

Cella a combustibile ad ossidi solidi (SOFC)

Fonte dell’immagine: Fuel Cell Today, http://fuelcelltoday.com/technologies/sofc

Tutti i componenti sono allo stato solido

Materiali Componenti di Cella

ANODOOssido di nichel e ittriastabilizzata con zirconio

CATODOManganite di lantaniodrogato con stronzio

ELETTROLITAOssido di zirconiostabilizzato con ossidodi ittrio

Materiali impiegati

Ridotti i problemi di corrosione e dievaporazione (tipici delle celle conelettrolita liquido)

http://www.cerespower.com

http://www.uic.edu/eng/ems/Combustion/Kee_Goodwin_Zhu_VG.pdf

Modelli in commercio

Celle di tipo tubolare (sviluppate da Westinghouse e Mitsubishi Heavy Industries)

Celle planari (sviluppate da Ceramatec and Mitsubishi Heavy Industries)

Celle monolitiche (sviluppate da Allied Signal)

http://fuelcellseminar.com/wp-content/uploads/RDP31-6_Stelter.ppt.pdf

Taglie

Cella singola Se composta da tre layer ceramici, puògenerare sino a 25 W (Bloom Energy)

Stack

CHP

Power Unit

Se composto da 40 celle puòprodurre fino a 1.40 kW con fuelutilisation dell’80%

PO

TE

NZ

A

Da 250 kW sino aoltre 25 MW

Può essere costituito da uno o piùstack sino a 10 kW

Principali caratteristiche

Fonte: ENEA, The Yellow pages of SOFC Technologies, International Status of SOFC deployment, 2012-2013Report Enea, RSE/2009/180

Modularità maggiore potenza installata in funzione della richiesta di energia elettrica

Rendimento poco sensibile alle variazioni del carico elettrico. La cella può operare tra il 30 e il 100 % di carico, senza perdite consistenti di efficienza.

Rendimento indipendente dal carico e dalle dimensioni dell’impianto



Ampia gamma di combustibili

idrogeno, metano, metanolo, etanolo, propano, gas naturale, diesel, jet fuel, gas di sintesi (da combustibili liquidi, gassificazione del carbone, biomasse).

Reforming interno

Fonte: http://www.uic.edu/eng/ems/Combustion/Kee_Goodwin_Zhu_VG.pdf

Tollerabilità alle impurezze


Le impurezze presenti nel gas dialimentazione riducono le prestazioni dicella, le specie e le quantità tollerabilidipendono dalla tipologia di cella.



Fonte: ENEA, The Yellow pages of SOFC Technologies, International Status of SOFC deployment, 2012-2013Report Enea, RSE/2009/180 , An Introduction to Fuel Cell, Prof. Dr. Robert Steinberger-Wilckens, Centre for Hydogen & Fuel Cell Research University of Birmingham

Ridotte emissioni gassose ed acutische.Ridotto impatto ambientale

Possibilità di cogenerazioneDisponibilità di calore a diversetemperature, contenuto nei gas discarico. Utilizzato per preriscaldare ireagenti, per sostenere le reazioni direforming, per produrre vapore o acquacalda. Per generare energia termica perapplicazioni cogenerative (400°C-500°C).

Sistemi di conversione dell’energia efficienti e caratterizzati da limitate

emissioni

- mobili, militari (<1 kW)

- Cogenerazione in applicazioni stazionarie residenziali (m-

CHP) (1-5 kW)

- Soluzioni Smart e Sostenibili (5 kW-20 kW)

- Auxiliary Power Unit (APU) e Back Up Power (1 -250 kW)

- Energia Primaria Industriale (0.1-10 MW)

- Waste to Energy

Applicazioni

Principale produttori di celle SOFC

Distribuzione mondiale aziende produttrici al 2013:

8 in Nord America – 7 in Europa – 2 in Giappone -1 in Australia

http://www.microchap.info/sofc.htm

Prodotti commerciali

Fonte: http://www.solidpower.com/it/homepage/

Singola unità di mCHP con accumulo termico per impiego residenziale, eventualmente utilizzabile in combinazione con sistemi di produzione di energia elettrica e termica di tipo rinnovabile(eolico, solare), pompe di calore o anche con un accumulo elettrico o sistemi UPS.

Prodotti commerciali

Energy Server

200 kW di potenza dedicati ad usi residenziali

Composto da più Power Module a loro volta formati da diversi stack

Ogni stack contiene c.a. 100 celle SOFC planari

Fonte: http://www.bloomenergy.com

SINGLE CELL

Più di 500 installazioni presso multinazionali americane

eBay inc

- Alimentazione con Biogas

- 500kW installati nel 2009 nella sede di San Jose, CA

- Sistema di back up da 6MW (n. 30 Bloom Energy Server)

- installati nel 2013 nel centro elaborazione dati di Salt Lake City, UT

Adobe

- 400 kW + 1.2 MWinstallati presso gli uffici San Francisco, California

-14.000 MWh/anno

Altre installazioni: Google, FedEx, Coca Cola, IKEA, NASA, Apple, NOKIA, etc.

Crescita del mercato: da 2.19 bilioni di dollari nel 2013 a 3.32 billioni nel 2018.

L’Asia sarà la regione con il maggior numero di produttori e utilizzatori di celle SOFC.

Il Giappone e la Corea del Sudguideranno il mercato.

Il mercato Americano ed Europeosarà in continua espansione.

Nella altre regioni il tasso di crescita è lento a causa della minor consapevolezza.

Previsioni del mercato

Stato di avanzamento della tecnologia

- Tecnologia matura per l’impiego in sistemi CHP e per la generazione dipotenza in applicazioni commerciali, industriali, residenziali e piccoleapplicazioni.

- Buone prestazioni e stabilità elettrochimica.

- Tempo di vita 60.000 h (c.a. 7 anni), (FZ Jülich).

- Efficienza elettrica superiore al 60% stimata per CHP da 1,5 kW (CFCL).

- Costo previsto 2000 €/kW, il programma SECA del DOE prevede un costo limite di 700 $/kW e il raggiungimento di taglie >100 MW.

- Principali nazioni investitrici: Giappone, Stati Uniti, Germania.

- Limiti alla commercializzazione legati principalmente ai costi, alla disponibilità e alla durata.

Fonte: M. ANDERSSON, B. SUNDÉN, Technology review – Solid Oxide Fuel Cell, RAPPORT 2015:136, Energiforsk

Cogenerazione in ambito residenziale

Fonte immagine: Using Fuel Cells in Residential Heat and Power, Fuel Cell Today

L’installazione dei sistemi commerciali su scala domestica ha avuto inizio con il programma Callux in Germania, il progetto ENER-FARM in Giappone e il progetto Ene.field in 12 nazioni europee.

La micro-cogenerazione è un importante strumento per ilraggiungimento di un alto livello di efficienza energetica in ambitoedilizio.

Nel 2014 più di 100 installazioni di m-CHP come demo in Europa

più di 100.000 installazioni di m-CHP nelle case giapponesi

Isola Cogenerativa in Trentino, la centrale che produce energia elettrica e termica con celle ad ossidi solidi

http://www.solidpower.com/isola-cogenerativa

Potenza elettrica 3 kW

Potenza termica 6 kW

Caso studio- Isola Cogenerativa

Collegata alla rete elettrica, quindi riconosciuta dal distributore e dal gestore della rete elettrica nazionale

3 micro-cogeneratori (mCHP) della potenza massima di 1 kW

1 desolforatore per il trattamento del Gas Naturale

5 conta calorie per il monitoraggio del calore

1 contatore elettrico ad impulsi

Accumulo termico da 500 litri

Impianto termico con centralina per la gestione automatica del calore

Concentratore, data-logger e Sistema ITC per il monitoraggio da remoto di tutti i dati

http://www.solidpower.com/isola-cogenerativa

Caso studio- Isola Cogenerativa

Produzione di Energia dalla Biomassa

BIOMASSASYNGAS/ BIOGAS

Gassificazione

Digestione anaerobica

Fonte: D. Papurello, A. Lanzini, L. Tognana, S. Silvestri, M. Santarelli, Energy 85 (2015) 145 e 158

ENERGIA

Motore a Combustione

Micro-Turbine a gas

Celle a Combustibile

Fonte: E. Bocci , A. Di Carlo, S.J. McPhail, K. Gallucci, P.U. Foscolo, M. Moneti, M. Villarini, M. Carlini,International Journal of hydrogen energy 39 ( 2014 ) 21876-21895

Composizione Biogas e Syngas

Il syngas prodotto dallagassificazione e il biogasottenuto dalla digestioneanaerobica devono esseresottoposti a trattamenti dicleaning per la rimozione dispecie contaminanti primadell’utilizzo in cella SOFC perevitare la disattivazione delcatalizzatore elettrodico.


Trattamenti di Cleaning

SOLFURI

TAR

SILOSSANI

CLORURI

Sezione - produzione del Biogas

Sezione - trattamenti di Cleaning

Sezione – trattamento del combustibile

Sezione - Celle a Combustibile

Sezione - Ricircolo del combustibile e unità di post combustione

Componenti degli impianti biogas-celle a combustibile

Impianto dimostrativo con:

tipo di celle tre moduli SOFC

potenza generata 175 kW elettrici e 90 kW termici

efficienza elettrica 53%

installazione impianto di trattamento acque reflue di SMAT Collegno (Torino)

provenienza Biogas digestione anaerobica dei fanghi di depurazione delle acque reflue urbane

finanziamento Horizon 2020 con un budget di 4.2 M€

Fonte: http://www.demosofc.eu/

Caso Studio - Progetto DEMOSOFC

Caso Studio - Progetto DEMOSOFC

1. L’alimentazione più idonea dal punto di vista economico,energetico e ambientale deve essere costituita da biomasseresiduali a basso costo.

2. I processi di gassificazione e di digestione anaerobica sono ipiù idonei per l’abbinamento con le celle a combustibile.

3. Il syngas e il biogas per poter alimentare le celle acombustibile devono essere sottoposti a trattamenti dipurificazione con un significativo contributo ai costi degliimpianti.

4. L’utilizzo del syngas è più complesso per via del basso poterecalorifico, elevato contenuto di impurezze ed elevatatemperatura.

Potenzialità di integrazione dei sistemi SOFC nella cogenerazione

di gas da biomasse

6. L’aspetto più critico nell’utilizzo del biogas è la presenza di zolfo, alogeni, silossani e composti alcalini. I trattamenti di cleaning a freddo e il reforming interno permettono di migliorare la qualità del gas, con buona realizzabilità ed efficienza dell’impianto complessivo, i costi rimangono ancora un limite ma possono ridursi con lo sviluppo di reformer in grado di tollerare tali impurezze.

7. Devono essere superati i problemi legati alla deposizione del carbonio dovuta all’utilizzo di gas con un elevato contenuto di metano.


di gas da biomasse

5. Le celle a combustibile SOFC sono idonee all’impiego insistemi energetici basati sulle biomasse, grazie alla possibilitàdi utilizzare combustibili contenenti CO e NH3, al Reforminginterno e alla tolleranza alle impurezze.


di gas da biomasse

8. Numerosi studi dimostrano che i sistemi completi biogas-celle a combustibile possono raggiungere un’efficienza elettrica del 40 % -51 %.

9. La pressione di stoccaggio del gas incide sui costi. I sistemiin pressione sono ideali per le installazioni di grossa tagliamentre lo stoccaggio a pressione ambiente è più indicato per isistemi decentralizzati su piccola scala.


Composizione Biogas e Syngas

Prestazioni sistemi di produzione dell’energia


Struttura di un impianto SOFC

FUEL

AIR

REFORMER

ANODE

CATHODE

BURNER

SOFC

ACDC

Equazioni caratteristiche

Validazione del modello con gas naturale

Zhang et al. Doherty et al. LAB.

Temperatura uscita cella [°C] 910 910 910

UF [%] 85 85 85

Tensione [V] 0.7 0.683 0.694

Dens. di corrente (A/m2) 1780 1828 1809

Utilizzazione aria (%) 19 19 19.9

Temperatura pre-reforming [°C] 536 535 536

Conversione CH4 pre-ref. [%] 25.9 25.0 25.0

Temperatura ingresso catodo [°C] 821 824 826

Temperatura prodotti comb. [°C] 1012 1012 1015

Efficienza lorda AC [%] 52 51.3 52.1

Stima delle prestazioni con biogas

TFC 900°C

UF 85%

J 2000 A/m2

PIN 250 kWt

Impianto SOFC con microturbina a gas

AIR

REFORMER

ANODE

CATHODE

BURNER

TC

FUEL

ACDC

Stima delle prestazioni con biogas

TFC 900°C

UF 85%

J 2000 A/m2

PIN 250 kWt

SOFC

SOFC + MGT

Considerazioni economiche preliminari

SOFC

SOFC + MGT

n 20 anni

i 8%

Eff. SOFC 47%

Eff. SOFC+MGT 67%

Eff. ICE 39%

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