Studio di un reattore a membrana applicato a sistemi microcogenerativi basati su celle a combustibile

Energetic efficiency has become a central theme in the development of contemporary societies, because more efficient energy systems allow, for the same final product, to use less fuel, reducing the impact on the environment; the fuels most commonly used today (oil, coal, natural gas), called fossil fuels, are characterized by a limited availability in time and in geographical regions, and their combustion generates carbon dioxide, believed to be responsible for the increase of the greenhouse effect. In this work, we studied a system for combined production of heat and power, with very high electricity generation efficiency by introducing an innovative component: from an existing system for micro-CHP, based on fuel cells technology, some changes have been introduced to the section of fuel processors and a membrane reactor for hydrogen separation has been implemented, all to achieve energy and economic benefits. Different configurations of the membrane reactor were evaluated, with and without sweep gas, in different operating conditions; an overall thermodynamic analysis was performed for the innovative plants, which show electrical efficiencies on average equal to 37% in the case without sweep and to 35% with sweep gas, superior to the conventional cases (30%). Subsequently, it was performed a CFD analysis to estimate the membrane surface requested by the reactor in function of different operating conditions. Finally, to better quantify the thermodynamics goodness of the innovative systems, an economic analysis was conducted (from the annual energy supply of a family house), which showed that these have, in two different pricing regimes (Italian and English) time of return on investment lower than traditional cases (on average, two years less than the best conventional system, in the Italian case) and greater cost-effectiveness (NPV on average higher by 300%, always in the Italian case).

L’efficienza energetica è divenuta un tema centrale nello sviluppo delle società contemporanee, poiché sistemi energetici più efficienti consentono, a parità di prodotto finale, di impiegare meno combustibile, riducendo l’impatto sull’ambiente; i combustibili ad oggi maggiormente utilizzati (petrolio, carbone, gas naturale), detti fossili, sono caratterizzati da una disponibilità limitata nel tempo e nelle zone geografiche, e la loro combustione genera anidride carbonica, ritenuta responsabile dell’incremento dell’effetto serra. Nel presente lavoro si è studiato un sistema per la produzione combinata di elettricità e calore con efficienza di generazione dell’energia elettrica molto elevata grazie all’introduzione di un componente innovativo: a partire da un impianto esistente per la micro-cogenerazione basato sulla tecnologia delle celle a combustibile sono state infatti introdotte delle modifiche alla sezione di fuel processor ed è stato implementato un reattore a membrana per la separazione dell’idrogeno, il tutto per conseguire vantaggi in termini energetici ed economici. Sono state valutate diverse configurazioni del reattore a membrana, con e senza sweep gas, a diverse condizioni operative; si è eseguita un’analisi termodinamica complessiva degli impianti innovativi, che mostrano rendimenti elettrici mediamente pari al 37% nel caso senza sweep e al 35% con sweep gas, superiori ai casi tradizionali (30%). E’ stata in seguito eseguita un’analisi fluidodinamica tramite CFD per stimare la superficie di membrana richiesta dal reattore in funzione delle diverse condizioni operative. Infine, per meglio quantificare la bontà termodinamica dei sistemi innovativi, si è svolta un’analisi economica (a partire dal bilancio energetico annuale di un’utenza domestica) che ha mostrato come questi abbiano, in due differenti regimi tariffari (italiano ed inglese), tempo di rientro dall’investimento inferiore rispetto ai casi tradizionali (in media, due anni in meno rispetto al miglior sistema tradizionale, nel caso italiano) e maggior convenienza economica (NPV in media superiore del 300%, sempre nel caso italiano).