IMPIANTI IBRIDI FUEL CELL/TURBINA A GAS

In vista degli obiettivi del presente lavoro di tesi, è ora opportuno focalizzare l’attenzione sui sistemi ibridi FC/TG. Infatti, i sistemi ibridi FC/TG risultano essere particolarmente idonei all’impiego nella generazione distribuita di potenza. In particolare, gli impianti FC/TG possono soddisfare utenze come ospedali, piccole industrie, hotels, centri commerciali, grossi centri residenziali, ecc., potendo essere impiegati anche in assetto cogenerativo e trigenerativo. A tal proposito, è utile effettuare una precisazione.

Essendo il rendimento elettrico di questi impianti molto elevato, un impianto FC/TG da luogo inevitabilmente a un rapporto energia elettrica/calore cogenerato anche maggiore di 2,5÷3:1. Ciò comporta la necessità di affiancare al sistema una caldaia ausiliaria o altre macchine, quali ad esempio pompe di calore, che sfruttino una parte dell’energia elettrica eventualmente eccedente.

Tra tutte le tipologie di sistemi ibridi trattate inoltre, i sistemi FC/TG sono, allo stato attuale, gli unici a essere in fase prototipale e di sperimentazione avanzata, essendo la commercializzazione prevista intorno all’anno 2015, quando questa tecnologia potrà divenire competitiva con le tecnologie convenzionali.

Nell’ambito della ricerca di innovative tecnologie per i sistemi di generazione di potenza stazionaria i sistemi ibridi infatti, in particolar modo quelli costituiti da fuel cells e turbine a gas, occupano un ruolo di centralità, soprattutto per merito degli elevati rendimenti raggiungibili e della relativa semplicità impiantistica. Ciò è dovuto principalmente al fatto che i sistemi ibridi FC/TG coniugano due aspetti molto importanti: da una parte, il processo di combustione ordinario (che costituisce per la maggior parte degli impianti convenzionali la principale sede di irreversibilità) è sostituito da un più

efficace processo di ossidazione elettrochimica; dall’altra, il calore ad elevata temperatura scaricato dalla fuel cell non è dissipato, ma impiegato nella turbina per produrre un’ulteriore aliquota di potenza, oltre a quella prodotta dalla cella.

Allo stato attuale, tra tutte le tecnologie di generazione di potenza stazionaria esistenti, quella dei cicli combinati gas-vapore alimentati a gas naturale è la tecnologia che raggiunge il più alto valore del rendimento elettrico. Infatti, con il valore di TIT pari a 1430 °C e con un rapporto di compressione uguale a 21, una moderna centrale termoelettrica a ciclo combinato raggiunge un valore di rendimento elettrico del 58%. La tendenza corrente è quella di oltrepassare questo valore massimo di rendimento, esplorando delle soluzioni che possano ulteriormente migliorare la tecnologia. Sulla base di alcuni studi effettuati [30], con la finalità di esaminare l’influenza sul rendimento di possibili trend evolutivi per i cicli combinati, è risultato che i miglioramenti ottenibili non consentono di innalzare di molto la soglia del 58%. In particolare, tra le soluzioni attuabili è stata studiata la possibilità di incrementare la temperatura di ingresso turbina, di adottare tecnologie di raffreddamento più avanzate rispetto a quelle convenzionali, e di impiegare la combustione sequenziale. Le conclusioni a cui si è pervenuti possono essere sintetizzate nei seguenti punti:

− il semplice aumento della TIT conduce a un modesto incremento del rendimento elettrico. Infatti, ipotizzando un valore di TIT pari a 1500 °C (ottenibile ponendo nel circuito di raffreddamento, a valle del compressore, uno scambiatore che diminuisca la temperatura dell’aria prima che sia immessa nelle parti calde da raffreddare) si può ottenere un rendimento del 59%;

− introducendo la combustione sequenziale, ovvero l’adozione di uno stadio di combustione intermedio durante l’espansione, si arriva a un rendimento del 59% per valori di TIT non troppo spinti (1350 °C), anche se i vantaggi di questa soluzione tendono ad annullarsi all’aumentare della TIT;

− impiegando delle tecnologie di raffreddamento più avanzate (come ad esempio i circuiti di raffreddamento in ciclo chiuso con vapore di media pressione o una soluzione mista vapore-aria), con gli attuali valori di TIT, si può ottenere un rendimento del 60%.

E’ evidente quindi che, pur introducendo dei miglioramenti nella tecnologia, l’aumento del rendimento elettrico conseguibile non risulta essere molto significativo rispetto al valore attualmente riportato. Ciò è dovuto principalmente a un limite intrinseco del ciclo combinato. Infatti, sulla base di un’analisi di secondo principio, risulta che nel

ciclo combinato Brayton-Rankine la più consistente sede di irreversibilità si può individuare nel processo di combustione, ed è uguale al 25-26% [30]. Questa notevole perdita può essere ridotta sostituendo al processo di combustione interna del ciclo Brayton, un più efficace processo di ossidazione del combustibile. Tra tutte le possibili alternative è emerso [30] che il processo di ossidazione elettrochimica del combustibile, è quello che consente di ridurre maggiormente le perdite di questa fase del ciclo. Pertanto la combinazione di un ciclo di turbina a gas con una fuel cell ad alta temperatura rappresenta la più valida strategia futura per oltrepassare la soglia di rendimento del 58%, e compiere così un passo decisivo verso rendimenti dell’ordine di oltre il 70%.

Se la ricerca converge verso la tecnologia dei cicli ibridi, tra tutti i tipi di cicli ibridi visti precedentemente, i sistemi che integrano le fuel cells con le turbine a gas sono quelli maggiormente convenienti. Ciò è dovuto principalmente ai seguenti aspetti:

− migliori prestazioni, minore complessità impiantistica e costo di investimento relativamente contenuto;

− buon rendimento del ciclo con conseguente riduzione dell’impatto ambientale; − l’impianto ibrido FC/TG è estremamente compatto, aspetto che lo rende idoneo

alle applicazioni in generazione di potenza distribuita sul territorio;

− con questi sistemi si possono realizzare impianti di piccola taglia (utilizzando le µTG) per soddisfare anche le utenze residenziali e le utenze del settore terziario, in linea con il principio della generazione distribuita.

3.5 GENERALITA’ SULLE POSSIBILI CONFIGURAZIONI DI IMPIANTO