Micro CHP based on SOFC and Stirling engine

The work presented in this master thesis has been carried out at the Technical University of Denmark (DTU) – Department of Mechanical Engineering during the period from March 2014 until September 2014, under the supervision of Professor Masoud Rokni and in agreement with Professor Stefano Campanari (Politecnico di Milano). With ever increasing demand for more efficient power generation and distribution the goal of providing an efficient small generator suitable for domestic use is the focus of this research. This study therefore describes an analytical model of a hybrid fuel cell – Stirling engine generator. The purpose of the project is to develop combined SOFC-Stirling engine for micro CHP to be used in houses, analysing the optimun power plant configuration and type of fuel to obtain 3 electrical kilowatts. Due to high eletrical efficiency the emissions would be less than other conventional CHPs for houses. Simulations have been carried out using DNA (Dynamic Network Analysis), a component-based simulation tool for energy system analysis developed in the Thermal Energy System department at DTU. The energetic analysis of several plants configurations fed with different kind of fuel (Natural Gas, Ammonia) has been performed, in order to understand the effect of the plant layout and the effect of the fuel in the combined plant performances. Therefore, the model generator quantifies the benefits of the significant symbiosis to be had from two well established technologies, SOFC and Stirling engine. The thermoeconomic analysis has been investigated as well, to establish benefits of isolating power system rather than being connect to the electrical grid and district heating net, all of that comparing the produced energy cost with the market price, considering average heat and electricity consumption of a normal size house in Denmark and in Italy.

Il lavoro presentato in questo progetto di tesi magistrale è stato sviluppato ed elaborato presso il Dipartimento di Ingegneria Meccanica della Technical University of Denmark (DTU) nel periodo tra Marzo 2014 e Settembre 2014 sotto la supervisione del Professor Masoud Rokni e in accordo con il Professor Stefano Campanari (Politecnico di Milano). Lo scopo della tesi è quello di sviluppare e descrivere un modello analitico di un generatore ibrido costituito da celle a combustibile ad ossidi solidi (SOFC) ed un motore Stirling, analizzando la configurazione impiantistica ottimale e la tipologia di combustibile utilizzabile per poter ottenere 3 kWel. Il seguente lavoro si colloca in un contesto all’interno del quale la ricerca di una sempre maggiore efficienza in termini di produzione e distribuzione di energia fa si che l’obiettivo di fornire un generatore efficiente di piccole dimensioni adatto per la microcogenerazione domestica (CHP) diventi il punto centrale del lavoro. L’elevata efficienza elettrica, inoltre, dovrebbe garantire emissioni inferiori rispetto ai tradizionali sistemi domestici. Il modello analitico è stato sviluppato mediante DNA (Dynamic Network Analysis), un software per simulazioni di sistemi energetici sviluppato all’interno del Dipartimento di Energia Termica della DTU. Il primo capitolo descrive i principi di funzionamento delle due tecnologie analizzate, SOFC e motore Stirling, sia separatamente che combinate, per poter mettere in luce quelli che sono i punti di forza e i punti di criticità relativi al sistema. Inoltre, sono presenti considerazioni preliminari relative a due alternative impiantistiche, non affrontate analiticamente in questa cornice ma che tuttavia potrebbero rappresentare occasione di ulteriore approfondimento. Il secondo capitolo affronta l’analisi energetica di due differenti soluzioni impiantistiche, alimentate rispettivamente con gas naturale e ammoniaca, in modo da esaminare le peculiarità delle due configurazioni, le caratteristiche dei singoli componenti e ottimizzare, a fronte di determinati dati di input, l’intero sistema. In particolare, analizzando la SOFC le simulazioni restituiscono valori ottimali di 600 °C e 650°C per quanto riguarda le temperature di ingresso relative rispettivamente al lato del catodo e dell’ anodo ed un numero di 3 stacks a seguito di un’ottimizzazione tecnico-economica. Gli altri componenti del ciclo topping, quali compressori, scambiatori di calore, desulfurizzatore e reattori chimici, vengono accuratamente descritti e sottoposti ad un’attenta ottimizzazione dei loro parametri caratteristici. Per quanto riguarda il ciclo bottoming, invece, l’attenzione si focalizza sul motore Stirling ed in particolare, sul circuito di raffreddamento ed sul flusso di gas di recupero proveniente dal ciclo soprastante. Le simulazioni, sia nel caso dello scambiatore adibito alla produzione di acqua calda sanitaria che in quello per il riscaldamento domestico, vengono portate avanti considerando problematiche quali l’insorgere del batterio della Legionella, la corrosione ed i limiti relativi alle differenza di temperatura. Il terzo capitolo offre una valutazione relativa al confronto tra i consumi energetici dell’utenza considerata, in termini di elettricità, riscaldamento ed acqua calda sanitaria, e la produzione di energia della soluzione impiantistica scelta, in maniera tale da simulare correttamente l’abbinamento tra macchina ed utenza, sia nel caso di utenza italiana che danese. I risultati ottenuti mostrano che il fabbisogno elettrico ammonta a 5090 kWhel/anno nel caso italiano ed a 5274 kWhel/anno nel caso danese, a fronte di 25800 kWhel/anno generati dall’impianto. Mostrano inoltre come il fabbisogno di acqua calda sanitaria sia di 2971 kWht/anno nel caso italiano e di 4245 kWht/anno nel caso danese, a fronte di 8250 kWht/anno e di 9370 kWht/anno, generati dagli impianti alimentati, rispettivamente, a gas naturale e ad ammoniaca. Mostrano, infine, come il fabbisogno relativo al riscaldamento corrisponda a 4169 kWht/anno nel caso italiano ed a 5625 kWht/anno nel caso danese, a fronte di 5886 kWht/anno e di 5652 kWht/anno, generati ancora una volta dagli impianti alimentati, rispettivamente, a gas naturale e ad ammoniaca. L’insieme di tali risultati mette in luce come l’impianto studiato riesca a coprire totalmente i fabbisogni energetici dell’utenza, soddisfacendo pienamente le richieste di elettricità, acqua calda sanitaria e riscaldamento. Il quarto capitolo presenta l’analisi termoeconomica che, combinando i principi dell’analisi economica con quelli dell’analisi exergetica, permette di calcolare il costo di ogni singolo flusso presente nell’impianto in modo da individuare punti di forza e criticità del sistema e operare un confronto in termini di €/kWh con il mercato attuale. La suddetta analisi genera dei risultati che, se analizzati e confrontati con l’attuale prezzo presente sul mercato, mostrano come tale soluzione sia competitiva per quanto riguarda l’energia elettrica e come non lo sia ancora in termini di acqua calda sanitaria e riscaldamento. Il quinto capitolo analizza la fattibilità dell’investimento mediante una valutazione che tiene conto di parametri puramente economici (NPV, PB, Pf). In particolare, i diversi scenari ipotizzati ed analizzati giustificano la fattibilità di tale investimento per entrambe le configurazioni considerate. In conclusione, le analisi e le simulazioni affrontate dimostrano che tali soluzioni impiantistiche permettono di raggiungere efficienze elettriche prossime al 59%, precisamente pari al 59,03% nel caso dell’impianto alimentato a gas naturale e pari al 57,93% nel caso di impianto alimentato ad ammoniaca, e che possono rappresentare un’opzione competitiva sul mercato per la diffusione della tecnologia microcogenerativa domestica.