Preliminary design of a low temperature micro-SOFC unit for natural gas networks auxiliary systems

Renewable energies are acquiring huge importance in the reduction strategies of carbon dioxide emissions; among them biogas production is increasing and its injection into the natural gas grids can help to achieve the objectives. At the same time, are growing the experimental campaign regarding hydrogen injection into natural gas grid, aiming to obtain a greener fuel flowing in the network. However these injections and the growing demand for natural gas, make necessary to better monitor the gas grid and balance it in a smarter way, using measurement systems located in the strategical points of the grid and able to communicate. The aim of the this work is a preliminary design of micro solid oxide fuel cell power unit, which feeds the systems cited above with a power of 5 and 50 W. The power unit must have precise characteristics such as compactness, security ad long life time, so by simulations on the GS software, the better plant layout solution was found and a first sizing of the principal components was performed according literature experiences. The design focuses not so much on the efficiency, but rather on satisfy the required features, in particular the low temperatures with respect to the usual SOFC conditions and the good working conditions for the adopted catalytic reactors. Then performances for the studied configurations are reported: particular attention is payed to the best layout solution, also including an analysis about impact of cell operating condition on the plant dimensions.

In un contesto di politiche per la riduzione delle emissioni di anidride carbonica, le energie rinnovabili assumono sempre più un ruolo determinante nel raggiungimento di tale obiettivo; fra queste la produzione di biogas è in forte crescita e la sua immissione nella rete del gas naturale può aiutare nell'intento. Allo stesso tempo crescono le campagne sperimentali per l'immissione in rete di idrogeno, al fine di rendere più "green" il gas naturale che scorre nelle condotte. Tali immissioni però, unite ad un aumento generale dei consumi di gas naturale, pongono il problema del monitoraggio e della gestione della rete del gas in maniera sempre più intelligente, in cui sistemi di misurazione e rilevamento, posti direttamente in punti strategici della rete, diventano fondamentali. In questo senso, il presente elaborato, si occupa del design preliminare di un'unità di potenza, basata su una cella ad ossidi solidi, volta ad alimentare tali strumentazioni fornendo una potenza pari a 5 e 50 W. Tale unità richiede caratteristiche ben precise quali compattezza, sicurezza e lunga vita utile, perciò tramite simulazioni svolte sul software GS, è stata trovata la soluzione impiantistica più adatta e svolto un primo dimensionamento dei componenti basandosi sulle informazioni trovate in letteratura. L'impianto dimensionato non punterà tanto all'efficienza, quanto a soddisfare le caratteristiche richieste, rispettando l'imposizione di temperature limitate rispetto all'usuale campo operativo delle SOFC e al contempo, garantendo per quanto possibile il buon funzionamento dei reattori catalitici presenti nell'unità. Alla luce di queste considerazioni, verranno riportate le prestazioni ottenute dalle simulazioni riguardanti le configurazioni d'impianto studiate: in particolare ci si concentrerà su quella che è ritenuta la soluzione migliore, riportandone anche un'analisi dell'impatto delle condizioni operative della cella sul dimensionamento dei componenti.