Analisi Energetica di sistemi ibridi con celle a combustibile: modello di simulazione numerica di un sistema SOFC/TG alimentato con miscele ricche di idrogeno

Abstract

Nell'ambito della tecnologia a celle a combustibile ad alta temperatura, nel presente lavoro di tesi è stato formalizzato un modello matematico per la simulazione di un Sistema Ibrido SOFC/GT. E' stato delineato uno stato dell’arte della tecnologia delle celle a combustibile e dei sistemi ibridi. E’ stato analizzato il principio di funzionamento delle fuel cell che si basa su considerazioni di tipo termodinamico, chimico ed elettrochimico. A partire da tali considerazioni si determinano le equazioni rappresentative delle grandezze che consentono di caratterizzare il funzionamento e le prestazioni di una cella a combustibile. E’ stata poi effettuata una classificazione delle fuel cell e sono state trattate le caratteristiche peculiari di ogni tipologia di cella. Particolare approfondimento è stato dedicato alle celle ad alta temperatura in vista della loro applicazione nei sistemi ibridi. Per le SOFC è stato inoltre presentato uno state dell’arte riguardante le SOFC a temperatura intermedia che costituiscono una nuova frontiera di ricerca in tale ambito. Particolare attenzione è rivolta alla ricerca di materiali innovativi che possano soddisfare i requisiti richiesti dai componenti della cella, in campo di temperature più basso (600-800 °C). In base alle modalità con cui avviene il recupero dell’energia termica possono essere realizzate diverse tipologie di sistema ibrido. Tra tutti i tipi di sistemi ibridi ottenibili, gli unici ad essere in fase prototipale e di studio avanzato sono quelli HTFC+Ciclo a gas. Ciò è dovuto ad una serie di fattori tra cui la minore complessità impiantistica, le migliori prestazioni, la possibilità di poter realizzare impianti di piccola taglia e un minore costo di investimento iniziale. Sulla base dell’analisi tecnica di differenti configurazioni di sistemi ibridi HTFC/GT prese in considerazione e reperiti in letteratura, è stata effettuata un’analisi energetica. A tal proposito è stata sviluppata una metodologia che consente di effettuare una semplice e globale analisi energetica delle configurazioni di sistemi ibridi considerati, in assetto cogenerativo. Il fine della procedura implementata è quello di poter ottenere un’espressione analitica che consenta di descrivere il funzionamento del sistema in funzione dei parametri caratteristici dello stesso. Le relazioni ottenute consentono un’utile rappresentazione grafica al fine di poter effettuare un confronto energetico dei sistemi analizzati. Sulla base di alcuni indici prestazionali cogenerativi (rendimento elettrico e termico, rapporto termo-elettrico, rendimento equivalente e PES), tale metodologia permette inoltre, di poter effettuare un confronto energetico tra i diversi sistemi in assetto cogenerativo presi in considerazione e quindi di pervenire ad una valutazione delle prestazioni degli stessi. Questo tipo di analisi è stata condotta in due fasi. Nella prima fase l’analisi energetica è stata effettuata considerando tutti i singoli componenti del sistema come “black box” e quindi, trascurando i processi che accadono all’interno di essi, valutando solo i flussi energetici in input e in output da ogni singolo sottosistema nonché le interazioni tra gli stessi. Successivamente si è proceduto ad effettuare l’analisi di due configurazioni di HS in assetto cogenerativo considerando il componente cella a combustibile non più come una black box, ma costituita dagli elementi che la compongono (comparto catodico e anodico, elettrolita ed eventuale reformer esterno). Tale aspetto consente di mettere in evidenza i vari fattori di perdita e come essi influenzano l’andamento del rendimento elettrico del sistema ibrido. Ciò al fine di far si che la metodologia possa offrire una valutazione energetica del sistema in assetto cogenerativo anche in funzione di alcune caratteristiche della cella. Sulla base dell’analisi energetica effettuata, è risultato che tra tutti i layout analizzati alcuni di essi si prestano meglio alla sola generazione di potenza elettrica. Dal confronto dei sistemi considerati effettuato tramite l’indice PES, si è potuto concludere che gli impianti ibridi che consentono di realizzare un maggiore risparmio di energia primaria sono quelli che effettuano un migliore recupero del contenuto energetico dei flussi gassosi scambiati tra i vari componenti del sistema. L’analisi dei sistemi ibridi è proseguita con la modellazione numerica di un impianto costituito da una SOFC integrata con una turbina a gas. Lo studio delle celle a combustibile ad ossidi solidi e l’individuazione delle equazioni che governano i fenomeni che caratterizzano il loro funzionamento, ha condotto alla formalizzazione di un modello matematico per la simulazione del funzionamento delle SOFC al variare delle condizioni operative. Attraverso l’analisi delle modalità di integrazione delle SOFC con le turbine a gas, si è pervenuti all’individuazione di un layout di impianto e alla formalizzazione di un modello numerico per la simulazione di tale sistema. Sono stati quindi elaborati tre codici di calcolo: il modello WGS-SOFC (per la simulazione di SOFC alimentate con miscele ricche di idrogeno ed a scarso o nullo contenuto di metano), il modello DIRSOFC (per la simulazione di SOFC alimentate con miscele contenenti quantità significative di metano e caratterizzate da reforming interno diretto) e il modello HS-HTFC/GT per la simulazione del sistema ibrido. I modelli sono stati implementati in ambiente MATLAB e risolti tramite procedure iterative a convergenza. E' stata effettuata la validazione dei modelli rispetto a dei dati riportati in letteratura e sono state condotte delle simulazioni al variare delle condizioni operative di input. Per quanto riguarda la SOFC, il suo funzionamento è stato analizzato al variare della composizione della miscela di alimentazione. In particolare, sono state considerate tre miscele che differiscono tra loro per la quantità di idrogeno, monossido di carbonio e metano presenti. Le simulazioni sono state condotte anche al variare di alcune grandezze quali, ad esempio, la pressione e la temperatura di ingresso dei flussi reagenti. Il comportamento del sistema ibrido è stato simulato al variare di alcuni parametri significativi per la cella a combustibile, quali ad esempio il fattore di utilizzazione di combustibile. Sono state rilevate le grandezze in uscita che descrivono le prestazioni del sistema. Nel caso di una SOFC alimentata da due diverse miscele non contenenti metano e a diversa composizione di monossido di carbonio e idrogeno, per una pressione di funzionamento pari a 1 bar, si è potuto concludere che per valori di densità di corrente, inferiori a circa 0.4 A/cm2, la curva di tensione della cella alimentata da una miscela al 24% di CO risulta essere al di sotto della curva di polarizzazione che si ha nel caso di alimentazione con una miscela al 10% di CO, mentre accade il contrario per valori di corrente maggiori di 0.4 A/cm2. Tale circostanza è dovuta all’andamento delle perdite di polarizzazione che insorgono e, in particolare, a quelle di concentrazione che in tal caso incidono maggiormente sulla differenza di valori che si ha nei due casi considerati. L’aumentare della temperatura di ingresso dei reagenti conduce ad un miglioramento delle prestazioni di cella. Ad esempio, se tale temperatura aumenta da 373 K a 873 K si ottiene un incremento del rendimento dal 41.25% al 51.62% e un innalzamento significativo della curva di tensione. Nel caso di SOFC alimentata da una miscela costituita da una significativa quantità di metano, la simulazione è stata effettuata col modello DIR-SOFC che prevede il reforming interno diretto del combustibile. A differenza di quanto accade nel caso delle simulazioni al variare della pressione effettuate con il modello WGS-SOFC, a parità di temperatura di ingresso dei flussi, la temperatura di cella aumenta con l’aumentare della pressione. Ciò è dovuto all’effetto benefico che ha la pressione sul processo di reforming. Infatti la costante di equilibrio della reazione di steam reforming aumenta con il quadrato della pressione, implicando una maggiore conversione del metano in idrogeno e monossido di carbonio, e quindi un più elevato grado di conversione elettrochimica, che si ripercuote sulla temperatura di cella e sulle prestazioni espresse, ad esempio, in termini di tensione e densità di potenza elettrica. Le simulazioni del sistema ibrido sono state condotte con il codice HS-SOFC/GT. Ad un incremento del fattore di utilizzazione del combustibile corrisponde un miglioramento delle prestazioni del sistema ibrido. Infatti, un aumento di Uf determina un aumento del grado di conversione elettrochimica del combustibile e quindi, a parità di temperatura in ingresso, un aumento della temperatura di cella. Ciò concorre ad innalzare il contenuto energetico dei gas in uscita dal combustore che serviranno a preriscaldare i flussi gassosi fino al valore della temperatura di ingresso in cella, prima dell’ingresso in turbina. Di conseguenza si ha un aumento della TIT e del rendimento della turbina a gas. Aumentando la temperatura di ingresso dei flussi al comparto anodico e catodico, si è registrato un trend positivo di parametri significativi per le prestazioni del sistema ibrido. Ad esempio per un aumento della temperatura si è osservato un netto miglioramento del rendimento del sistema ibrido. Infatti, per un valore di densità di corrente pari a 0.3 A/cm2, il rendimento del sistema ibrido aumenta dal 52.95% in corrispondenza di una temperatura di ingresso pari a 773 K, al 60.72% per un incremento della temperatura di ingresso fino a 873 K. In virtù degli elevati rendimenti di conversione energetica e del basso impatto ambientale dovuti anche al recupero di flussi massici ed energetici proprio del principio di funzionamento stesso di tali sistemi, i sistemi ibridi SOFC/GT si collocano pertanto nell'ambito del perseguimento della sostenibilità energetico - ambientale e della generazione di potenza stazionaria ad alta efficienza.