One of the cheapest and interesting options to increase energy efficiency in residential sector is the micro combined heat and power (micro-CHP) generation, where the simultaneous production and utilization of heat and power, allows for a better fuel exploitation compared to conventional power production systems. Stationary PEM fuel cells based systems offer a clean and efficient source of electricity with the highest primary energy saving potential at micro-cogeneration scale. The PhD project investigated the integration of an ATR membrane reformer within a micro-CHP system of 5 kWel and 6.5 kWth based on PEM fuel cell. The optimization of the micro-CHP system was performed, within ReforCELL and FERRET European projects, aiming at the target of 40% of net electric efficiency and 90% of total system efficiency comparing different configurations and operating conditions. The work was focused on the development and integration of an efficient fuel processor for hydrogen production for small-scale power production. Membrane reactors, combining production and separation in one vessel, were chosen as promising technology since recent studies showed that their performances are better than conventional fuel processors. The final version of the micro-CHP system was defined at steady state conditions and the influence of the European natural gas on the system performances had been investigated even at partial load.

Una delle opzioni più interessanti per aumentare l'efficienza energetica nel settore residenziale è la micro-cogenerazione, dove la produzione contemporanea e l'utilizzo di energia elettrica e termica, permette un migliore sfruttamento del combustibile rispetto alla produzione di energia convenzionale sistemi. Sistemi stazionari basati sulle celle a combustibile PEM offrono una fonte pulita ed efficiente di energia elettrica con il più alto potenziale di risparmio di energia primaria. Il progetto di dottorato ha studiato l'integrazione di un reattore a membrana ATR all'interno di un sistema di micro-CHP 5 kWel e 6,5 kWth basato su celle a combustibile PEM. È stata eseguita l'ottimizzazione del sistema di micro-cogenerazione, nell'ambito di due progetti europei ReforCELL e FERRET, con l’obiettivo del 40% del rendimento elettrico netto e del 90% di efficienza del sistema totale. Il lavoro è stato focalizzato sullo sviluppo e l'integrazione di un fuel processor efficiente per la produzione di idrogeno e quindi per la produzione di energia su piccola scala. I reattori a membrana, che uniscono la produzione e la separazione in un unico reattore, sono stati scelti come tecnologia promettente in quanto studi recenti hanno dimostrato che le loro prestazioni sono migliori rispetto ai fuel processore tradizionali. La versione finale del sistema di micro-CHP è stata definito in condizioni stazionarie ed è inoltre stata indagata l'influenza del gas naturale europeo sulle prestazioni, anche a carico parziale.

Application of gas fuels to membrane reactor for small-scale power production

DI MARCOBERARDINO, GIOELE

Abstract

One of the cheapest and interesting options to increase energy efficiency in residential sector is the micro combined heat and power (micro-CHP) generation, where the simultaneous production and utilization of heat and power, allows for a better fuel exploitation compared to conventional power production systems. Stationary PEM fuel cells based systems offer a clean and efficient source of electricity with the highest primary energy saving potential at micro-cogeneration scale. The PhD project investigated the integration of an ATR membrane reformer within a micro-CHP system of 5 kWel and 6.5 kWth based on PEM fuel cell. The optimization of the micro-CHP system was performed, within ReforCELL and FERRET European projects, aiming at the target of 40% of net electric efficiency and 90% of total system efficiency comparing different configurations and operating conditions. The work was focused on the development and integration of an efficient fuel processor for hydrogen production for small-scale power production. Membrane reactors, combining production and separation in one vessel, were chosen as promising technology since recent studies showed that their performances are better than conventional fuel processors. The final version of the micro-CHP system was defined at steady state conditions and the influence of the European natural gas on the system performances had been investigated even at partial load.
BOTTANI, CARLO ENRICO
CAMPANARI, STEFANO
24-feb-2016
Una delle opzioni più interessanti per aumentare l'efficienza energetica nel settore residenziale è la micro-cogenerazione, dove la produzione contemporanea e l'utilizzo di energia elettrica e termica, permette un migliore sfruttamento del combustibile rispetto alla produzione di energia convenzionale sistemi. Sistemi stazionari basati sulle celle a combustibile PEM offrono una fonte pulita ed efficiente di energia elettrica con il più alto potenziale di risparmio di energia primaria. Il progetto di dottorato ha studiato l'integrazione di un reattore a membrana ATR all'interno di un sistema di micro-CHP 5 kWel e 6,5 kWth basato su celle a combustibile PEM. È stata eseguita l'ottimizzazione del sistema di micro-cogenerazione, nell'ambito di due progetti europei ReforCELL e FERRET, con l’obiettivo del 40% del rendimento elettrico netto e del 90% di efficienza del sistema totale. Il lavoro è stato focalizzato sullo sviluppo e l'integrazione di un fuel processor efficiente per la produzione di idrogeno e quindi per la produzione di energia su piccola scala. I reattori a membrana, che uniscono la produzione e la separazione in un unico reattore, sono stati scelti come tecnologia promettente in quanto studi recenti hanno dimostrato che le loro prestazioni sono migliori rispetto ai fuel processore tradizionali. La versione finale del sistema di micro-CHP è stata definito in condizioni stazionarie ed è inoltre stata indagata l'influenza del gas naturale europeo sulle prestazioni, anche a carico parziale.
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