Sperimentazione e modellizzazione di un sistema microcogenerativo basato su celle a combustibile di tipo PEM

The issue of energy saving has become, in the last years, subject of many studies for the determination of system for the production of electric and thermal energy that can minimize their environmental and economic impact. Assumes great importance the aspect connected to the exploitation of energy contained in fossil flues, which must be removed in greater proportion to get maximum energy efficiency and, consequently, the minimum consumption of primary energy and minimum expense. Cogeneration plays a key role in this field as it is characterized by the efficiency and fuel consumption factor. The micro – cogenerative system Sidera30, currently in prototype, designed and developed by ICI Caldaie S.p.A , represents a possible answer to the question. Sidera30 is based on PEFC technology which is able to convert electrochemically the calorific value of hydrogen, directly into electrical power without develop combustion processes intrinsically related to a Carnot efficiency. The system is equipped with a fuel processor section formed by a steam reforming reactor, a water gas reactor and a preferential oxidation reactor, able to convert the natural gas which in fed with, into a syngas at high hydrogen content. Conjointly to the generation of electrical power happens a recovery of thermal power from the stack of fuel cells and from the section of fuel prcession, and this is what characterizes the system as cogenerative. The puropose of the following paper is to characterize and model the entire system starting from the material flows entrance until the determination of the outlet flows of the system. The Aspen Plus environment model has the aim to replicate the operating conditions tested during experimental activities due in the Micro – cogeneration Lab (LMC) of the Energy Department of the Politecnico di Milano, giving reliable results. The model is also constructed in such a way as to simulate different conditions, returning output values with an engineering relevance The result should, therefore, reflect the behavior of cogenerative system Sidera30 in terms of material and energy flows incoming and outcoming by the system itself; and highlights testing issues, in terms of problems noticed during the cycle of system characterization and during the phase of data acquisition. The paper is divided into a phase of Sidera30 detailed description, in which will be set up system’s operation principles; a description of the experimental campaign carried out , a description of the model in Aspen Plus environment and finally a validation of the model itself. In the end will be analyzed the issues of every phase and the final results will be discussed.

La questione del risparmio energetico è divenuta negli ultimi anni oggetto di innumerevoli studi destinati alla determinazione di sistemi atti alla produzione di potenza elettrica e termica che possano ridurre al minimo il proprio impatto ambientale ed economico. Assume quindi grande importanza l’aspetto legato allo sfruttamento dell’energia contenuta nei combustibili fossili, che deve essere estratta nella maggior frazione possibile per ottenere la massima efficienza energetica e, di conseguenza, il minimo consumo di energia primaria e la minima spesa. La cogenerazione riveste un ruolo di fondamentale importanza in questo ambito, in quanto è caratterizzata da rendimenti di primo principio e fattori di utilizzo dei combustibili elevati. Il sistema micro-cogenerativo Sidera30, attualmente in fase di prototipo, progettato e sviluppato da ICI Caldaie S.p.A., rappresenta una possibile risposta a questo quesito. Sidera30 si basa sulla tecnologia delle celle a combustibile di tipo PEFC (Polymeric Electrolite Fuel Cell) in grado di convertire elettrochimicamente il potere calorifico dell’idrogeno, con cui sono alimentate, direttamente in potenza elettrica, senza sviluppare processi di combustione soggetti intrinsecamente ad un rendimento di Carnot. Il sistema è dotato quindi di una sezione di fuel processor formata da un reattore di steam reforming, uno di water gas shift ed uno di ossidazione preferenziale, in grado di convertire il gas di rete con cui è alimentata in un syngas ad alto tenore di idrogeno. Congiuntamente alla generazione di potenza elettrica avviene un recupero di potenza termica sia dallo stack di celle a combustibile sia dalla sezione di fuel processor, caratterizzando così il sistema come cogenerativo. La finalità della seguente trattazione di tesi è quella di caratterizzare e modellizzare l’intero sistema a partire dall’ingresso dei flussi di materia e di energia, fino alla determinazione dei flussi in uscita del sistema stesso. Il modello in ambiente Aspen Plus quindi ha lo scopo di replicare le condizioni di funzionamento testate durante l’attività di sperimentazione nel Laboratorio di MicroCogenerazione (LMC) del Dipartimento di Energia del Politecnico di Milano, fornendo risultati attendibili. Il modello è costruito in modo tale da poter simulare condizioni diverse, restituendo valori in uscita ingegneristicamente significativi. I risultati dovranno quindi rispecchiare il comportamento del sistema cogenerativo Sidera30 in termini di flussi materiali e di energia entranti, intermedi ed uscenti al sistema stesso; ed evidenziare problematiche del processo di esecuzione della campagna di sperimentazione in termini di criticità rilevate durante l’intero ciclo di caratterizzazione del sistema compresa la fase di acquisizione dati. L’elaborato si articola in una fase di descrizione dettagliata di Sidera30, in cui verranno esposti i principi di funzionamento del sistema; una di descrizione della campagna sperimentale effettuata; una di descrizione del modello in ambiente Aspen Plus; ed infine una di validazione del modello stesso. In conclusione verranno affrontate le criticità che hanno caratterizzato tutte le fasi e verranno commentati i risultati ottenuti.