IMPIANTI IBRIDI SOFC/MTG

In linea di principio, grazie alla natura modulare delle fuel cells, è possibile realizzare dei sistemi a celle a combustibile di taglia molto elevata. Questi sistemi potrebbero essere integrati con grandi turbine a gas industriali, e dare origine a impianti di potenza stazionaria di grande taglia, paragonabile a quella delle odierne centrali. Tuttavia allo stato attuale, gli impianti reali non superano la soglia del MW (o di pochi MW) a causa di numerosi problemi legati ai costi e ad aspetti tecnici, come ad esempio il manifolding degli impianti.

In particolare, per le celle ad ossidi solidi i problemi tecnici (limiti strutturali e notevoli stress termomeccanici) condizionano fortemente la durata della cella, limitando la possibilità di realizzare sistema di grossa taglia.

Layout C 1 Layout C 2

POTENZA TG 110 kW 125 kW

POTENZA FC 640 kW 675 kW

POTENZA HS 750 kW 800 kW

RENDIMENTO HS 66% 67%

Tabella 3.4: Parametri tecnici dell’impianto “directly fired” per un β= 5

Ad esempio, la corretta gestione dell’aria entrante nel comparto catodico durante il transitorio del sistema, costituisce un aspetto molto importante al fine di evitare di compromettere la funzionalità del sistema stesso. Infatti, ogni improvvisa riduzione di carico sulla fuel cell potrebbe richiedere una corrispondente riduzione del flusso di aria di raffreddamento per evitare un “over-cooling” della cella, che potrebbe causare delle fratture nei componenti ceramici dello stack. A causa dei limiti tecnici esistenti, la sperimentazione sui sistemi ibridi SOFC/TG riguarda prevalentemente sistemi di piccola taglia realizzati integrando il modulo SOFC con MTG.

Il sistema ibrido raffigurato in modo semplificato nella Figura 3.15, rappresenta la tipologia impiantistica più frequentemente adottata nella generazione di potenza distribuita, e può pertanto essere considerato come schema di riferimento per tutti gli impianti ibridi FC/TG di piccola taglia (Pe < 500 kW). L’impianto è sostanzialmente un ciclo di turbina a

gas recuperativo, dove il combustore è sostituito dalla fuel cell che è alimentata da aria pressurizzata dal compressore e preriscaldata dal recuperatore, e da gas naturale desolforato, pressurizzato e preriscaldato. I reagenti in ingresso alla fuel cell sono infatti preriscaldati in un rigeneratore di rendimento superiore al 90%, tramite i gas di scarico in uscita dalla turbina a gas. I gas esausti della fuel cell sono inviati a un combustore posto prima della turbina, e successivamente vengono fatti espandere in turbina. Nello schema è presente anche un combustore ausiliario che si trova a monte del sistema fuel cell, e che ha lo scopo di riscaldare la cella nella fase di accensione. Il sistema rappresentato è un impianto pressurizzato che può essere realizzato con un modulo SOFC e da una MTG. Le microturbine a gas impiegate in questa tipologia impiantistica sono generalmente costituite da turbomacchine di tipo radiale, con un rapporto di compressione β compreso tra 3,5 e 4 e una temperatura di ingresso turbina prossima a 900 °C.

ANODO CATODO FUEL CELL ARIA AC

C

T

Figura 3.15: Impianto SOFC/TG da 300 kW

Nonostante la piccola taglia dell’impianto e la configurazione impiantistica piuttosto semplice, le prestazioni di questo ciclo si presentano assai elevate: infatti questi cicli ibridi possono raggiungere un rendimento elettrico prossimo al 60÷65% per potenze elettriche totali prodotte di 300 kW (o anche maggiori) generate con un rapporto di 4:1 rispettivamente della SOFC e della turbina a gas. I gas di scarico inoltre, lasciano l’impianto a temperature assai elevate, dando la possibilità di effettuare un efficace recupero termico per cogenerazione e portando il rendimento complessivo a quasi l’80%. Un ulteriore vantaggio di un impianto di questo genere è costituito dalle scarse emissioni inquinanti prodotte, con la pratica eliminazione delle emissioni di NOx e CO, oltre a un

buon funzionamento a carichi parziali, dovuto alla presenza stessa della cella a combustibile. Un impianto che presenta le caratteristiche esposte è ad esempio, un sistema integrato realizzato con una cella a combustibile pressurizzata a ossidi solidi della Siemens Westinghouse da 250 kW e una microturbina a doppio asse della Ingersoll-Rand Energy System da 70 kW, per una potenza totale prodotta di 320 kW (Figura 3.16) [31].

Il modulo SOFC comprende una cella a combustibile costituita da 1728 celle elementari, contenuta in un cilindro orizzontale in pressione. Il modulo SOFC ha un’utilizzazione del combustibile pari all’85%, e produce potenza elettrica in corrente continua e calore, la corrente continua viene successivamente convertita in corrente alternata in un sistema ad inverter detto “condizionatore di potenza”.

Figura 3.16: Schema dell’impianto SOFC/MTG da 320 kW [31]

La fuel cell è alimentata da due flussi: quello dell’aria e quello del combustibile. L’aria è compressa fino a una pressione di circa 4 bar dal compressore del turbogruppo. Il combustibile, proveniente dalla rete di alimentazione ad una pressione di circa 3 bar, è compresso in un turbocompressore ad esso dedicato fino a 11 bar e sottoposto a un processo di desolforizzazione prima di giungere al gruppo SOFC. Lo scarico del modulo elettrochimico è costituito da un flusso di gas incandescenti alla pressione di 3,3 bar e alla temperatura di 900°C. Questi gas vengono convogliati nella turbina connessa a un generatore, nella quale espandono fino a una pressione di poco superiore a 1 bar per una temperatura di circa 660 °C. La MTG a gas è una macchina a doppio albero che ha la funzione di convertire l’entalpia allo scarico della fuel cell in potenza all’albero, in modo da azionare il compressore che fornisce un flusso costante di aria pressurizzata al modulo elettrochimico, e di azionare il generatore di corrente alternata per produrre energia elettrica supplementare oltre a quella prodotta dalla fuel cell.

I gas esausti dal sistema ibrido possono essere recuperati, ottenendo così una potenza termica pari a 120 kW.

3.9 PARAMETRI TECNICI ECONOMICI ED AMBINETALI DEI SISTEMI