Terzo incontro regionale H2IT - Politecnico di Torino
15 Giugno 2004
Torino
Sviluppo di sistemi APU per applicazioni
stazionarie e mobili:
i progetti Celco-YACHT e Micro-CHP
Guido Saracco
Dipartimento di Scienza dei Materiali ed Ingegneria Chimica
Politecnico di Torino
Torino
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15 Giugno 2004
Torino
Auxiliary Power Unit per applicazioni “mobili”
ACQUA
SISTEMA DI
RAFFREDDAMENTO
COMBUSTIBILE
REFORMER
Nello stack avviene la reazione tra
idrogeno ed ossigeno che produce
energia elettrica, vapore acqueo e
calore.
H2 + CO2
ENERGIA
ELETTRICA
UTENZE
ELETTRICHE
CONDIZIONAMENTO,
LUCI, SISTEMI DI
CONTROLLO,…
STACK
ARIA
COMPRESSORE ARIA
BATTERIA AUSILIARIA
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15 Giugno 2004
Auxiliary Power Unit per applicazioni “stazionarie”
Torino
UNITA’ MICRO-COGENERATIVA per applicazioni residenziali  Energia Termica + Energia Elettrica
Vaillant-Plug Power
Sistema di cogenerazione
4.6 kWel + 7 kWth
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Torino
Celle a combustibile: applicazioni
Applicazioni
POTENZA [W]
Vantaggi
Sistemi elettronici
portabili
1
10
Generazione energia
mobile e stazionaria
100
1k
Maggiore densità di energia
rispetto alle batteria
Ricarica più veloce
10k
Auto
navi
Generazione distribuita
di potenza
100k
Potenzialità per zero
emissioni, maggiore
efficienza
1M
Maggiore efficienza
Minori emissioni
silenziosità
AFC
Campi di
applicazione
dei principali
tipi di Fuel
Cells
Campi di potenze
di interesse per
APU di piccola taglia
MCFC
SOFC
PEMFC
DMFC
10M
PAFC
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Torino
Sistemi di produzione d’idrogeno da idrocarburi

Steam Reforming (SR)
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)
 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)
 Reforming 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.
Studi in corso su benzina e biodiesel (per autoveicoli)
 Cracking termico (TC)
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)
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Torino
Reformers commerciali
SOCIETÀ
Nuvera
Hydrogen Burner
Technology (HBT)
Analytic Power
Johnson Mattey
Haldor Topsoe
Los Alomos National
Laboratory
Energy Partners
Dais-Analytic Corporation
Innovatek
IFC
IdaTech
Stato della
tecnologia
(capacità max)
CARBURANTE
REFORMING
Gas naturale
POX
Gas naturale
POX
50 kW (1.1 kW/l)
Multi-fuel
Metanolo, GPL,
metano
Metanolo
ATR
50 kW
Metanolo
SR
Metano
Metano
Gasoline-Diesel
Metano
Metano
SR
SR
SR
SR
SR
50 kW
ATR
SR
10-50 kW
1kW
50 kW
Innovatek, Inc.
(1 kW)
Epyx Corporation/
Nuvera fuel cell
(50 kW)
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15 Giugno 2004
Torino
Steam Reforming (SR)
Reazione con acqua, endotermica, trasferimento di calore indiretto (necessità di scambiatori di
calore), bassa temperatura, alta efficienza.
CnHm + nH2O = nCO + (n+m/2)H2
Isooctane
REF
HTWG
S
STRAP
LTW
GS
CO
PROX
Burner
Heat
Exch. 04
Air
Steam
Gen.
exhaust
Water
After
Burner
Scelta di riferimento in MicroCHP
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15 Giugno 2004
Torino
Ossidazione Parziale Catalitica (CPO)
Reazione con ossigeno sottostechiomentrico, esotermica, alta temperatura, rapido start-up; reattori
molto compatti.
CnHm + n1/2O2 = n CO + m/2 H2
Catalytic packed bed reactor
Possibile alternativa
in MicroCHP
Time = 0 s
O2 /C = 0.20
Time = 18 s
O2 /C = 0.20
Time = 6 s
O2 /C = 0.20
Time = 24 s
O2 /C = 0.20
Time = 9 s
O2 /C = 0.20
Time = 30 s
O2 /C = 0.20
Time = 12 s
O2 /C = 0.20
Time = 60 s
O2 /C = 0.20
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15 Giugno 2004
Torino
Reforming Autotermico (ATR)
Combina steam reforming ed ossidazione parziale, no riscaldamento no raffreddamento extra. Reattori
estremamente compatti.
CnHmOp + x(O2+3.76N2) + (2n–2x–p)H2O = nCO2 + (2n-2x-p+m/2)H2 + 3.76xN2
Diesel oil feed
ATR
700°C
HTS
400°C
PROX
150°C
LTS
240°C
Air
Steam
Air
Water
Flue
gas
Condensate
recovery
Fuel cell
afterburner
Air
Humidifier
PEMFC
80°C
Exhaust
air
DC power
Scelta di riferimento in Celco YACHT
Per gentile concessione dell’ Institut für
Mikrotechnik Mainz GmbH
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15 Giugno 2004
Torino
Cracking Termico (TC)
Reazione endotermica di rottura delle molecole per azione dell’alta temperatura, alta efficienza.
Necessaria la rigenerazione dei reattori di cracking.
CnH2n+2 = nC + (n+1)H2
Water
Diesel / Biodiesel
Cracking
Shift
Fine Purification
Fuelcell
Water
Gasification
Air
Condenser
Anodic offgas (CH4, H2, CO2, H2O, N2)
Water
Condenser
Collector
Water
Water
Possibile alternativa
in MicroCHP
Cathodic offgas (Luft, H2O)
Air
Per gentile concessione della
Univertät Duisburg-Essen
Power,Heat
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15 Giugno 2004
MICRO-CHP
Torino
 Partners
Environment Park – HY_SY_LAB, Merloni Termo Sanitari, Arcotronics Fuel Cells,
HySyTECH, IREM, Politecnico di Torino
 Target
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
 Durata
48 mesi
 Valore
3 milioni di €
Fuel processorcompatti basati sullo steam reforming di gas
 Aree di
eccellenza naturale, componenti compatti, analisi RAMS (Reliability,
Availability, Maintainability & Safety) e LCA (Life Cycle
Assessment)
 Ruolo
POLITO
Sviluppo catalizzatori (reforming da benzina, CO clean-up),
modellazione di sistema e componente, Power conditioning,
Analisi RAMS
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15 Giugno 2004
MICRO-CHP
Torino
Schema impianto cogenerativo a due zone
SP3. Fuel Processor
SP2. Stack
SP1. Coordinamento e Gestione Progetto
Terzo
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15 Giugno 2004
Sviluppo dello Stack
Torino
Stack per H2 di reforming
Alimentazione e recupero termico
Sistema Steam reformer
Sistema clean up compatto
Fuel processor
Diagramma Pert del Progetto
SP4. B.O.P
Ausiliari Generazione Calore
Inverter & power conditioning
Unità di Controllo
Balance of plant
SP5. Modellazione
SP6. Integrazione sistema
e test
Integrazione CHP e
test su banco
SP7. Dimostrazione
Test su campo CPH
(dimostrazione)
SP8. Analisi Ambientale Sicurezza e Marketing
SP9. Divulgazione e Addestramento
Tempo
(anni) 0
1
Verifica di
Metà Progetto
3
4
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15 Giugno 2004
CELCO-YACHT
Torino
 Partners
Environment Park – HY_SY_LAB, Azimut Benetti, Arcotronics Fuel Cells, HySyTECH,
IREM, Politecnico di Torino
 Target
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.
 Durata
48 mesi
 Valore
3,5 milioni di €
Fuel processor, componenti compatti, analisi RAMS (Reliability, Availability,
 Aree di
eccellenza Maintainability & Safety) e LCA (Life Cycle Assessment)
 Ruolo
POLITO
Sviluppo catalizzatori (reforming da
benzina, CO clean-up), modellazione
di sistema e componente, Power
conditioning, Analisi RAMS, sviluppo
architettura del sistema
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15 Giugno 2004
Torino
Sviluppo dello Stack
SP3. Fuel Processor
Stack per H2
Alimentazione e recupero termico
SP4. B.O.P
SP2. Stack
SP1. Coordinamento e Gestione Progetto
Terzo
Inverter & power conditioning
Sistema di reforming
Sistema purificazione idrogeno
Diagramma Pert del Progetto
Fuel processor
Unità di Controllo e sensoristica
Balance of plant
SP5. Modellazione
SP6. Integrazione sistema
e test su banco
Integrazione sistemi a
fuel cell e test su banco
SP7. Dimostrazione
Test su scafo
(dimostrazione)
SP8. Analisi Ambientale Sicurezza e Marketing
SP9. Divulgazione e Addestramento
Tempo
(anni) 0
1
Verifica di
Metà Progetto
3
4
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15 Giugno 2004
Torino
Grazie per l’attenzione!
[email protected]
Coordinatore progetti: [email protected]
Responsabile scientifico: [email protected]
Politecnico di Torino
Dipartimento di Scienza dei Materiali ed Ingegneria Chimica
Corso Duca degli Abruzzi, 24
10129 Torino