REPUBBLICA ITALIANA

Cagliari, 20 novembre 2015

Celle a Combustibile PEMFC: attuali prospettive di mercato e risultati delle

attività sperimentali

Marialaura LucarielloSardegna Ricerche

AREA 1

Sistemi Energetici Integrati e Innovativi

Progetto 1.2. Materiali per lo stoccaggio e la generazione

elettrochimica.

Progetto 1.2.1 Sviluppo di nuovi

materiali catalitici per la

realizzazione di celle a combustibile

di tipo PEMFC.

Progetto Cluster Energie Rinnovabili

Fasi del progetto

WP1

• WP 1: Attività di informazione sullo stato dell’arte dei materialiinnovativi per celle a combustibile PEMFC.

WP2

• WP 2: Sintesi e caratterizzazione di nuovi catalizzatori per cellePEMFC.

WP3

• WP 3: Assemblaggio di una cella singola PEMFC con i materialipreparati e successiva caratterizzazione elettrochimica.

WP4

• WP 4: Sviluppo di un processo per il riciclo del catalizzatoredall’assemblato membrana elettrodo e ulteriore preparazione dinuovi assemblati con i catalizzatori recuperati.

WP5

• Analisi comparativa dei risultati ottenuti, delle criticità emerse e divulgazione dei risultati sperimentali.

Temperatura di lavoro: LT PEMFC sino a 90°C, HT PEMFC sino a 150 °C

Rendimento fino al 34-37 %

Vita media 40000 h

Reazioni AnodicaH2 2H++2e -

Reazione Catodica½ O2 + 2 H++2e-

H2O

Celle a combustibile PEMFC

Fonte dell’immagine: Fuel Cell Today, http://fuelcelltoday.com/

Fonte dell’immagine: Proton exchange membrane fuel cells, B.G. Pollet, A.A. Franco, H. Su, H. Liang, S. Pasupathi, Compendium of Hydrogen Energy. http://dx.doi.org/10.1016/B978-1-78242-363-8.00001-3

Struttura della cella singola

Incremento della potenza

Stack di celle PEMFC

Applicazioni

Generazione portatile ed elettronica di consumo

Trasporto

Generazione residenziale

Cogenerazione commerciale e residenziale

Cogenerazione industriale

Cogenerazione distribuita

<100 W

1 - 10 kW

50-250 kW

5 -200 kW

200 kW – 2 MW

2 kW – 20 MW

Road Map

Nella rete elettrica Europea:-c.a. l’8% dell’elettricità è persa lungo le linee di distribuzione-il 20 % della capacità è impiegata per soddisfare i picchi diconsumo.

L’esaurimento delle scorte di combustibili fossili, le perdite ditrasmissione e distribuzione, e l’elevato inquinamento ambientalecondizionano gli impianti di generazione centralizzata.

Un nuovo concetto di generazione distribuita è basato su fonti rinnovabili e non convenzionali.

Contesto energetico

Distributed Energy Resources (DERs)

Fonte: J.I. San Martín et al., Electric Power Systems Research 80 (2010) 993–1005

Stoccaggio dell’energia

I sistemi di stoccaggio dell’energia contribuiscono- a stabilizzare la produzione intermittente di energia rinnovabile, - a soddisfare la richiesta variabile dei carichi.

Batterie –stoccaggio a breve termine

• basse densità di stoccaggio

• fenomeni di auto-scarica

Tecnologie dell’idrogeno – stoccaggio a lungo termine stagionale

• elevata densità di stoccaggio

• ridotte perdite

• semplicità nell’installazione

«Hydrogen Storage System»

Fonte: J.I. San Martín et al., Electric Power Systems Research 80 (2010) 993–1005

«Hydrogen Storage System»

Microrete nel Laboratorio

(produzione-stoccaggio-utilizzo di H2)

Impianto per la generazione, lo stoccaggio e l’utilizzo dell’idrogeno:

‒ Generazione di energia elettrica da fonti rinnovabili eolica e fotovoltaica (11 kW).

‒ Produzione di idrogeno da elettrolisi ( 2 Nm3/h).

‒ Stoccaggio di idrogeno in fase gassosa e idrurica (61 Nm3).

‒ Generazione di energia elettrica e calore con celle a combustibile (5 kW).

Fonte: Ph.D Thesis M. Petrollese, Optimal generation scheduling for Renewable Microgrids using Hydrogen Storage Systems

Photovoltaic system Electrolyzer

Panel peak power 0.225 kW H2 Net Production Rate: 1.05 Nm3/h

Efficiency 18.1% Delivery Pressure 13.8 barg

Solar cells 72 Nominal power 6 kW

Panel number 36 Number of cell 20

Wind turbine Fuel Cell

Rated power @ 14 m/s 3 kW Nominal power 5 kW

Configuration 3 blades, vertical axis H2 rated consumption 65 Nl/min

Rotor diameter 3 m Nominal voltage 48 VDC

Hub height 5.8 m Nominal current 115 A

Batteries Hydrogen Tank

Nominal voltage 12 V Number 4

Rated Capacity (C100) 270 Ah Volume/Tank 1 m3

Batteries per string 4 Max operating pressure 22 bar

Max. Charge Current 48 A

Dati Tecnici

Soluzione di generazione stand-alone in cui l’eccesso di energiarinnovabile generata da una turbina eolica e da un impiantofotovoltaico è immagazzinata attraverso la produzione e ilsuccessivo stoccaggio di idrogeno.

Produzione annua di energia da RES: 17.8 MWh

Energia effettiva erogabile annua all’utenza:

<14 MWh

Minimo carico giornaliero erogabile: 21.3 kWh

Fonte: Cau, G., Cocco, D., Petrollese M., Tola V., Assessment of a hybrid stand-alone power system withhydrogen production and storage, MICROGEN 3, The 3rd International Conference on Microgeneration andRelated Technologies, Naples, 15-17 April, 2013.

Microrete nel Laboratorio

(produzione-stoccaggio-utilizzo di H2)

1) La soluzione di accumulo di energia in cui lo stoccaggio dell’idrogeno è abbinato alle batterie migliora la gestione dei carichi transitori e dei picchi di potenza intermittenti.

Lo Stato di Carica della Batteria (State of Charge-SOC) è una delle principali variabili di controllo per la gestione dell’impianto.

Informazioni acquisite

SOC<SOCmax

1) Carica della batteria sino a SOCmax

2) gen. H2-carica bomboloni

potenza prodotta

>

potenza richiesta

SOC>SOCmax

1) Scarica della batteria sino a SOCmin

2) Scarica bomboloni + fuel cell

potenza prodotta

<

potenza richiesta

Fonte: Ph.D Thesis M. Petrollese, Optimal generation scheduling for Renewable Microgrids using Hydrogen Storage Systems

SOC-based control system

Informazioni acquisite

2) L’impianto di stoccaggio ad idrogeno può essere un’ottima soluzione per effettuare accumuli di energia a medio-lungo termine. Tuttavia, affinchè tale sistema sia efficace risulta fondamentale un’adeguata progettazione della capacità di accumulo dell’idrogeno.

0 250 500 750 1000 12500

1.5

3

4.5

6

Hydrogen storage capacity [Nm3]

Annual energ

y f

low

s [

MW

h/y

ear]

EL

FC

EX

UN

Fonte: Cau, G., Cocco D., Lucariello M., Petrollese, M., Optimal generation scheduling for a hybrid stand-alone power plant using renewable energy source and hydrogen storage system, ECOS2014, Turku, Finland

0 60 120 180 240 300 360-6

-4

-2

0

2

4

6

8

10

Day

Hourly E

nerg

y f

low

[kW

h]

BATT H2 EX UN

0

2

4

6

8

10

Annual energ

y f

low

[M

Wh]

RES energy Load demand

Direct

Batt

H2

EX

UN

In verde tutta l’energia persa perché serbatoi già pieni

- Validazione dei modelli di gestione della microgrid e sviluppo di nuove strategie di gestione ottimale con l’ausilio delle previsioni meteorologiche

- Determinazione degli effettivi costi di gestione delle microgrid e valutazione del deterioramento dei vari componenti

- Estensione dell’impianto e integrazione con altre tecnologie, possibilità di utilizzo dell’idrogeno in eccesso come carburante di una macchina ad idrogeno

- Studi di fattibilità di casi studio reali in cui l’utilizzo dell’idrogeno risulta economicamente conveniente (es. alimentazione di utenze isolate, smart grids)

Punti da sviluppare

Attività sperimentali

Sperimentazione di nuovi materiali catalitici

•Sintesi di leghe a base di Pt-M supportati su OMC (UNISS)

•Sviluppo di metodologie di deposizione e di assemblaggio specifiche (Lab

H2FER, 3DNikele)

•Caratterizzazione in celle a combustibile (Lab H2FER)

•Caratterizzazione morfologica (Lab. Telemicroscopia)

Sviluppo di un processo per il recupero del metallo

nobile contenuto nel MEA

• Trattamenti di recupero del metallo nobile dagli assemblati membrana-

elettrodo (UNICA)

• Preparazione di un nuovo catalizzatore (UNICA)

• Preparazione di nuovi elettrodi e caratterizzazione in cella a

combustibile (Lab H2FER)

WP 2: Sintesi e caratterizzazione di nuovi catalizzatori per celle PEMFC

1. Sintesi di 7 nuovi catalizzatori a base di Pt, Pt-Nb, Nb e Pt-Fe supportati su CMK3 (UNISS)

2. Preparazione degli elettrodi, assemblaggio del MEA e della cella

3. Diagnostica delle prestazioni in cella PEMFC

WP3: Diagnostica elettrochimica e caratterizzazione morfologica

N

N S

CH3

CH3

SH

+

I3-

CH3CN, D

3-5 gg

MEA a fine vitaNuovo catalizzatore[Pt(Me2pipdt)2] I2

Fonte: F. Bigoli, P. Deplano, M.L. Mercuri, M.A. Pellinghelli, G. Pintus, A. Serpe, E.F. Trogu,J.Am.Chem.Soc., 2001, 123, 1788.

triiodide salt of N, N'-dimethyl-piperazine-2,3-ditione

WP 4: Sviluppo di un processo per il riciclo del catalizzatore dall’assemblato membrana elettrodo

siringaGas

diffusion layer

vacuum table

Deposizione dello strato catalitico mediante stampa 3D

Ottimizzazione della procedura di deposizione

Vantaggi del metodo

- Semplice ed economico- bassi carichi catalitici e perdite catalitiche ridotte- estensione di scala- gestione della geometria dell’area di deposizione e del verso di

deposizione- deposizione di uno strato 3-D- regolazione della velocità di deposizione in funzione della densità

dell’inchiostro catalitico

Svantaggi

- Regolazione sensibile della distanza siringa-tessuto- Regolazione sensibile della planarità dell’area di deposizione

Prime valutazioni

UNICADip. di Scienze Chimiche e

Geologiche

CRS4Lab. Telemicroscopia

UNICADip. di Ing. Meccanica, Chimica e dei Materiali

3DNikelestart-up

UNISSDip. di Chimica e Farmacia

Collaborazioni e ringraziamenti