Modellizzazione dinamica di un sistema microcogenerativo a fuel cell PEM con reattore a membrana

An appealing solution in a short- to mid-term perspective for micro-CHP residential system consists of the adoption of selective membrane based chemical reactors for natural gas processing and pure hydrogen production, to be fed in a PEM fuel cell system. The aim of this work is to analyze the dynamic behavior of a 5,4kWe and 6,7kWt PEM fuel cell based micro-CHP system integrated with a membrane reactor, where electrical power production has to follow the quickly electric energy load variation typical of small scale end-users. The dynamic model implements the results of a 1D steady-state membrane reactor model in Matlab and experimental data from a commercial Nuvera stack. The model is developed in Aspen Plus Dynamics. A steady state Aspen Plus model is used for validation purpose. Dynamic description is oriented towards optimization of system operation and plant-wide control structure design, based on technical parameters and sensitivity analysis. System performance is evaluated both for stationary off-design conditions and dynamic situations, which include step changes in net electrical power of residential load profiles in the electrical load following asset.

Una soluzione promettente a breve e medio termine per sistemi microcogenerativi residenziali consiste nell’adozione di reattori basati su membrane selettive per la produzione di idrogeno puro a partire da gas naturale, per l’alimentazione di celle a combustibile di tipo PEM. Lo scopo di questo lavoro è analizzare il comportamento dinamico di un impianto di microcogenerazione da 5,4kWe e 6,7kWt, costituito da un sistema a fuel cell PEM integrato con un reattore a membrana, in cui la produzione di potenza elettrica deve soddisfare le rapide variazioni di carico di utenze domestiche di piccola taglia. Il modello dinamico implementa i risultati di un modello statico 1D di un reattore a membrana realizzato in Matlab ed i dati sperimentali di uno stack commerciale della Nuvera. La modellizzazione avviene in ambiente Aspen Plus Dynamics. Per la validazione è stato utilizzato un modello statico realizzato in Aspen Plus. La descrizione dinamica è finalizzata all’ottimizzazione della gestione e alla scelta della migliore strategia di controllo, basata su vincoli tecnici e analisi di sensitività. Le performance dell’impianto vengono valutate sia in condizioni stazionarie di off-design che in situazioni dinamiche, per variazioni a scalino della potenza elettrica o profili di carico residenziali, secondo una strategia elettrico segue.