Analisi sperimentale e modellistica di unità SOFC da 2.5 KWEL per applicazioni di micro-cogenerazione

In the last years the development of the energy sector is driving solutions with lower fuel consumption and low environmental impact. The rational use of energy and energy saving are the most efficient way to achieve these objectives. Regarding energy saving, the production of electricity and heat through cogeneration plants represents the most rational way to exploit the potentiality of a fuel. Among the various cogeneration technologies, fuel cells (FC) represent a primary engine with which is possible to generate efficient, low noise and low emission solutions. The fuel cell technology is experiencing a remarkable development thanks to numerous research activities that aim at exploiting its potential in terms of energy efficiency and environmental impact. The experimental activities, carried out at the Laboratory of Micro-Cogeneration (LMC) of the Department of Energy at Politecnico di Milano are hereby outlined in relation to the testing of four 2.5 kWel AC SOFC-based micro-CHP units developed by SOLIDpower S.p.a. This work has been developed in the context of an activity financed by Gelsia Reti Srl, which is the final recipient of the four machine installation at the headquarter RetiPiù located in Desio (MI). The novelty of the work consists in carrying out a complete thermodynamic and environmental performance characterization of the studied commercial system in a third-party laboratory, together with a modeling activity intended to allow a better interpretation of the results achieved. The main objectives of the experimental campaign are: - evaluation of the electrical performance of the heat load, whilst operated in design conditions and at partial loads; - identification of operating parameters internal to the co-generator with which is possible to obtain electrical performance improvements; - assessment of environmental performance in the different configurations tested. The measurements have been acquired redundantly in order to ensure the statistical validity of the collected data and the robustness of the approach. The design point experimental characterization has been supported by an overall process calibration and simulation performed by means of an in-house software (GS), developed at the Department of Energy. Each component has been modelled using a 0D approach, such that the required mass and energy balances of the plant can be compared with those obtained from the experimental activity. The simulations were used to check the experimental measures highlighting the need to establish an instrumentation verification protocol to be followed for each experimental campaign. An optimal electric point different from the design one stated by the manufacturer was obtained through the sensitive parameters adjustments. In conclusion, the overall performances have met the expectations, being characterized by a net electric efficiency of approximately 39% for all the units tested. At partial loads, the reduction of the net electrical efficiency at decreasing load was observed (27% at minimum power conditions). The overall efficiency showed excellent thermal recovery characteristics, remaining in all cases above 91%. The emission levels recorded in design conditions and at partial loads confirm the low environmental impact of micro-CHP systems based on SOFC technology. A paper presented at the ASME Power and Energy Conference 2016 (June 26, 2016, Charlotte, North Carolina) was carried out on the basis of this work.

Negli ultimi anni lo sviluppo del settore energetico sta spingendo verso soluzioni caratterizzate da minori consumi e basso impatto ambientale. L’uso razionale delle fonti e il risparmio energetico rappresentano il modo più efficiente per raggiungere questi obiettivi. In tema di risparmio energetico la produzione di energia elettrica e calore attraverso impianti cogenerativi costituisce il modo più razionale per sfruttare le potenzialità di un combustibile. Tra le varie tecnologie di cogenerazione, le celle a combustibile (fuel cell, FC) rappresentano una tipologia di motore primo con cui è possibile ottenere soluzioni efficienti, silenziose e con ridotte emissioni. La tecnologia fuel cell sta vivendo un notevole sviluppo grazie alle numerose attività di ricerca che puntano a sfruttarne le potenzialità in termini di efficienza energetica e impatto ambientale. Il presente lavoro di tesi racchiude i risultati delle attività sperimentali eseguite su quattro unità di micro-cogenerazione da 2.5 kWel basate su tecnologia SOFC (Solid Oxide Fuel Cell) condotte nel Laboratorio di Micro-Cogenerazione (LMC) del Politecnico di Milano. I sistemi testati rappresentano soluzioni commerciali sviluppate e prodotte da SOLIDPower S.p.a. Il lavoro è stato condotto nel quadro di un’attività finanziata da Gelsia Reti Srl, destinataria ultima dell’installazione delle quattro macchine presso la sede centrale RetiPiù di Desio (MI). L’originalità delle attività portate avanti in questo lavoro risiede nell’aver eseguito una completa caratterizzazione delle prestazioni termodinamiche in un laboratorio esterno all’azienda produttrice, insieme ad un’attività modellistica volta a consentire una migliore interpretazione dei risultati ottenuti. I principali obiettivi delle sperimentazioni sono stati: - La valutazione delle prestazioni elettriche al variare del carico termico nelle condizioni di progetto e ai carichi parziali; - L’identificazione di parametri operativi interni al cogeneratore con cui ottenere il miglioramento delle prestazioni elettriche; - La valutazione delle prestazioni ambientali nelle diverse configurazioni testate. Le misure sono state acquisite in maniera ridondante allo scopo di garantire la validità statistica dei campioni raccolti e la robustezza dell’approccio seguito. La caratterizzazione delle prestazioni a livello sperimentale è stata supportata dallo sviluppo di un modello di simulazione costruito utilizzando il software GS realizzato all’interno del Dipartimento di Energia. Ogni componente interno del micro-cogeneratore è stato modellizzato usando un approccio 0D allo scopo di poter confrontare i bilanci di massa e di energia ottenuti dal modello con i risultati ottenuti sperimentalmente. Le simulazioni sono state utilizzate per la verifica delle misure sperimentali evidenziando la necessità di istituire un protocollo di verifica della strumentazione da seguire per ogni campagna sperimentale. Inoltre, le simulazioni sono state utilizzate per identificare i parametri operativi della macchina con cui è possibile ottenere un incremento delle prestazioni elettriche dell’impianto. Attraverso la regolazione di parametri sensibili interni alla macchina è stato ottenuto un punto di ottimo elettrico diverso da quello di progetto dichiarato da costruttore. In conclusione, le prestazioni complessive hanno soddisfatto le aspettative essendo caratterizzate da un’efficienza elettrica netta di circa 39% per tutte le unità testate. Ai carichi parziali è stata registrata la riduzione del rendimento elettrico netto al diminuire del carico (27% in condizioni di potenza minima). Il rendimento globale ha evidenziato ottime caratteristiche di recupero termico, mantenendosi in tutti i casi al di sopra del 91%. I livelli di emissioni registrate in condizione di progetto e ai carichi parziali confermano il basso impatto ambientale dei sistemi micro-cogenerativi basati su tecnologia SOFC. Sulla base di questo lavoro è stato realizzato un articolo presentato alla conferenza ASME Power and Energy 2016 ( 26 giugno 2016, Charlotte, North Carolina).