Sviluppo di sistemi APU per applicazioni stazionarie e mobili: i progetti Celco-YACHT e Micro-CHP

Terzo incontro regionale H2IT - Politecnico di Torino 15 Giugno 2004

Torino

Sviluppo di sistemi APU per Sviluppo di sistemi APU per applicazioni stazionarie e mobili:applicazioni stazionarie e mobili:i progetti Celco-YACHT e Micro-i progetti Celco-YACHT e Micro-

CHPCHP

Dipartimento di Scienza dei Materiali ed Ingegneria Dipartimento di Scienza dei Materiali ed Ingegneria ChimicaChimica

Politecnico di TorinoPolitecnico di Torino

TorinoTorino

Guido SaraccoGuido Saracco


TorinoAuxiliary Power Unit per applicazioni “mobili”

ENERGIAELETTRICA

UTENZE ELETTRICHE

STACK

COMPRESSORE ARIA

ARIA

BATTERIA AUSILIARIA

SISTEMA DIRAFFREDDAMENTOACQUA

H2 + CO2

REFORMER

COMBUSTIBILE

Nello stack avviene la reazione tra idrogeno ed ossigeno che produce energia elettrica, vapore acqueo e

calore.

CONDIZIONAMENTO, LUCI, SISTEMI DI CONTROLLO,…


Torino

Vaillant-Plug Power Vaillant-Plug Power Sistema di cogenerazione

4.6 kWel + 7 kWth

Auxiliary Power Unit per applicazioni “stazionarie”

UNITA’ MICRO-COGENERATIVA per applicazioni residenziali Energia Termica + Energia Elettrica


TorinoCelle a combustibile: applicazioni

1 10 100 1k 10k 100k 1M 10MPOTENZA [W]POTENZA [W]

ApplicazioniApplicazioni

VantaggiVantaggi

Sistemi elettroniciportabili

Generazione energiamobile e stazionaria

Generazione distribuitadi potenza

Maggiore densità di energiarispetto alle batteriaRicarica più veloce

Potenzialità per zeroemissioni, maggiore

efficienza

Maggiore efficienzaMinori emissioni

silenziosità

Campi di Campi di applicazione applicazione dei principali dei principali

tipi di Fuel tipi di Fuel CellsCells PEMFC

PAFC

SOFC

AFC MCFC

DMFC

Autonavi

Campi di potenzedi interesse per

APU di piccola taglia


Torino

Steam Reforming (SR)

Sistemi di produzione d’idrogeno da idrocarburi

CnHm + nH2O = nCO + (n+m/2)H2

Reazione con acqua, endotermica, trasferimento di calore indiretto, bassa temperatura, alta efficienza.

Studi in corso su gas naturale e benzina (unità micro-CHP e autoveicoli)

Reforming Autotermico (ATR)

Cracking termico (TC)

Ossidazione Parziale Catalitica (CPO) CnHm + n1/2O2 = n CO + m/2 H2

Reazione con ossigeno, esotermica, alta temperatura, rapido startup, compatto.

Studi in corso su gas naturale e GPL (unità micro-CHP e autoveicoli)

CnHmOp + x(O2+3.76N2) + (2n–2x–p)H2O =

nCO2 + (2n-2x-p+m/2)H2 + 3.76xN2

Combina steam reforming ed ossidazione parziale, no riscaldamento no raffreddamento extra.

Studi in corso su benzina e biodiesel (per autoveicoli)

CnH2n+2 = nC + (n+1)H2

Reazione endotermica di rottura delle molecole per azione dell’alta temperatura, alta efficienza.

Studi in corso su benzina e biodiesel (per autoveicoli)


Torino

SOCIETÀ CARBURANTE REFORMING

Stato della tecnologia

(capacità max)Nuvera Gas naturale POX 50 kW Hydrogen Burner Technology (HBT) Gas naturale POX 50 kW (1.1 kW/l)

Analytic Power Multi-fuel ATR 50 kW

Johnson Mattey Metanolo, GPL, metano ATR

Haldor Topsoe Metanolo SRLos Alomos National Laboratory Metanolo SR 10-50 kW

Energy Partners Metano SRDais-Analytic Corporation Metano SR

Innovatek Gasoline-Diesel SR 1kWIFC Metano SR 50 kWIdaTech Metano SR

Epyx Corporation/ Nuvera fuel cell

(50 kW)

Innovatek, Inc. (1 kW)

Reformers commerciali


TorinoSteam Reforming (SR)

Reazione con acqua, endotermica, trasferimento di calore indiretto (necessità di scambiatori di calore), bassa temperatura, alta efficienza.

Air

Water

HTWGS

S -TRAP

LTW GS

CO PROX

REF

Burner

AfterBurner

Isooctane

Heat Exch. 04 Steam

Gen.exhaust

CnHm + nH2O = nCO + (n+m/2)H2

Scelta di riferimento in MicroCHP


TorinoOssidazione Parziale Catalitica (CPO)

CnHm + n1/2O2 = n CO + m/2 H2

Reazione con ossigeno sottostechiomentrico, esotermica, alta temperatura, rapido start-up; reattori molto compatti.

Time = 0 sO2/C = 0.20

Time = 6 sO2/C = 0.20

Time = 9 sO2/C = 0.20

Time = 12 sO2/C = 0.20

Time = 18 sO2/C = 0.20

Time = 24 sO2/C = 0.20

Time = 30 sO2/C = 0.20

Time = 60 sO2/C = 0.20

Time = 0 sO2/C = 0.20

Time = 6 sO2/C = 0.20

Time = 9 sO2/C = 0.20

Time = 12 sO2/C = 0.20

Time = 18 sO2/C = 0.20

Time = 24 sO2/C = 0.20

Time = 30 sO2/C = 0.20

Time = 60 sO2/C = 0.20

Catalytic packed bed reactor

Possibile alternativain MicroCHP


TorinoReforming Autotermico (ATR)

CnHmOp + x(O2+3.76N2) + (2n–2x–p)H2O = nCO2 + (2n-2x-p+m/2)H2 + 3.76xN2

Combina steam reforming ed ossidazione parziale, no riscaldamento no raffreddamento extra. Reattori estremamente compatti.

ATR700°C

PROX150°C

HTS400°C

Diesel oil feed

Air

Steam

Fuel cellafterburner

Condensaterecovery

PEMFC80°C

LTS240°C

Air

Water

AirHumidi-

fier DC power

Fluegas

Exhaustair

Per gentile concessione dell’ Institut für Mikrotechnik Mainz GmbHScelta di riferimento in Celco YACHT


TorinoCracking Termico (TC)

CnH2n+2 = nC + (n+1)H2

Reazione endotermica di rottura delle molecole per azione dell’alta temperatura, alta efficienza. Necessaria la rigenerazione dei reattori di cracking.

Per gentile concessione della Univertät Duisburg-Essen

Possibile alternativain MicroCHP


TorinoMICRO-CHP

Partners

Target

Durata

Valore

Aree di eccellenza

Ruolo POLITO

Environment Park – HY_SY_LAB, Merloni Termo Sanitari, Arcotronics Fuel Cells, HySyTECH, IREM, Politecnico di Torino

Sviluppo di un’unità CHP (Combined Heat and Power generation) per applicazioni domestiche plurifamiliari e piccole utenze del terziario (alberghi, ristoranti, uffici…) basata sulla combinazione di uno steam reformer di metano e di uno stack di celle a combustibile polimeriche. L’unità CHP deve essere in grado di erogare 4 kW di potenza elettrica con modulazione 1-4 kW e deve essere modulabile nel range 4-24 kW per quanto riguarda la potenza termica. Imgombro: L x P x H = 600 x 1400 x 900 mm; peso 300 kg

48 mesi

3 milioni di €Fuel processorcompatti basati sullo steam reforming di gas naturale, componenti compatti, analisi RAMS (Reliability, Availability, Maintainability & Safety) e LCA (Life Cycle Assessment)

Sviluppo catalizzatori (reforming da benzina, CO clean-up), modellazione di sistema e componente, Power conditioning, Analisi RAMS


TorinoMICRO-CHP

Schema impianto cogenerativo a due zone


Torino

Diagramma Pert del Progetto

SP5. Modellazione

SP7. Dimostrazione

SP6. Integrazione sistemae test

SP

4. B

.O.P

SP

2. S

tack

SP

3. F

uel

Pro

cess

or

SP1. Coordinamento e Gestione Progetto

SP9. Divulgazione e Addestramento

SP8. Analisi Ambientale Sicurezza e Marketing

Stack per H2 di reforming

Sistema Steam reformer

Sistema clean up compatto

Fuel processor

Balance of plant

Integrazione CHP e test su banco

Test su campo CPH(dimostrazione)

Tempo(anni) 0 1 3 4Verifica di

Metà Progetto

Alimentazione e recupero termico

Inverter & power conditioning

Unità di Controllo

Ausiliari Generazione Calore

Sviluppo dello Stack


TorinoCELCO-YACHT

Partners

Target

Durata

Valore

Aree di eccellenza

Ruolo POLITO

Environment Park – HY_SY_LAB, Azimut Benetti, Arcotronics Fuel Cells, HySyTECH, IREM, Politecnico di Torino

Studio, realizzazione e validazione di uno strumento per la sperimentazione di una unità di generazione APU (Auxiliary Power Unit) con potenza di 15 kW basato sulla soluzione a Fuel Cell che possa trovare applicazione futura su una imbarcazione. Studio di fattibilità di un sistema basato su Fuel Cell per la generazione di potenze nel range 600-1000 kW e destinato ad alimentare la propulsione principale di imbarcazioni da diporto fino a 18m.

48 mesi

3,5 milioni di €

Fuel processor, componenti compatti, analisi RAMS (Reliability, Availability, Maintainability & Safety) e LCA (Life Cycle Assessment)

Sviluppo catalizzatori (reforming da benzina, CO clean-up), modellazione di sistema e componente, Power conditioning, Analisi RAMS, sviluppo architettura del sistema


Torino

Diagramma Pert del Progetto

SP5. Modellazione

SP7. Dimostrazione

SP6. Integrazione sistemae test su banco

SP

4.

B.O

.PS

P2.

Sta

ck

SP

3.

Fu

el P

rocess

or

SP1. Coordinamento e Gestione Progetto

SP9. Divulgazione e Addestramento

SP8. Analisi Ambientale Sicurezza e Marketing

Stack per H2

Sistema di reforming

Sistema purificazione idrogeno

Fuel processor

Balance of plant

Integrazione sistemi a fuel cell e test su banco

Test su scafo(dimostrazione)

Tempo(anni) 0 1 3 4Verifica di

Metà Progetto

Alimentazione e recupero termico

Inverter & power conditioning

Unità di Controllo e sensoristica

Sviluppo dello Stack


Torino

Grazie per l’attenzione!Grazie per l’attenzione!

Politecnico di TorinoPolitecnico di TorinoDipartimento di Scienza dei Materiali ed Ingegneria Dipartimento di Scienza dei Materiali ed Ingegneria ChimicaChimica

Corso Duca degli Abruzzi, 24Corso Duca degli Abruzzi, 24

10129 Torino10129 Torino

[email protected]

Coordinatore progetti: Coordinatore progetti: [email protected]

Responsabile scientifico: Responsabile scientifico: [email protected]

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