SVANTAGGI DEL SISTEMA IBRIDO FC/TV:

− Rendimento elettrico più basso rispetto al sistema FC / ciclo Brayton e a quello combinato FC / ciclo Brayton-Rankine;

− Necessità di acqua di alimentazione e di raffreddamento;

− Maggiore complessità impiantistica rispetto al ciclo Brayton rigenerativo.

3.3.3 INTEGRAZIONE DI UNA FUEL CELL AD ALTA TEMPERATURA CON IL CICLO STIG

E’ possibile realizzare un sistema ibrido combinando una fuel cell ad alta temperatura con un ciclo STIG (Steam Injected Gas turbine).

Il ciclo STIG è un ciclo “misto” gas/vapore in cui il gas e il vapore vengono miscelati in alcuni punti del processo, dando luogo a un ciclo almeno parzialmente unificato. La denominazione ciclo “misto” è usata in contrapposizione a quella di ciclo “combinato” che indica un ciclo caratterizzato da una separazione fisica (data dai tubi della caldaia a recupero) tra i due fluidi di lavoro, gas e vapore. Ciò corrisponde a una precisa distinzione tra i due cicli termodinamici combinati, ovvero il ciclo Brayton, con il fluido lavoro in fase gassosa (aria o gas combusti) e il ciclo Rankine, col fluido lavoro in cambio di fase (acqua o vapore).

Nel ciclo STIG non c’è una separazione fisica tra gas e vapore, che vengono miscelati e fatti poi espandere in turbina. Il ciclo STIG prevede la generazione di vapore tramite i gas caldi esausti dalla turbina inviati in una caldaia a recupero in controcorrente con un flusso di acqua. Successivamente il vapore prodotto è iniettato nella camera di combustione della turbina. A differenza dei cicli combinati si ha una maggiore semplicità impiantistica (dovuta all’assenza della turbina a vapore e del condensatore) e una conseguente riduzione del costo di impianto.

Il vapore deve essere prodotto a una pressione molto elevata (generalmente pari a 1,25÷1,4 volte quella massima del ciclo a gas), e deve essere inoltre demineralizzato prima del suo ingresso in turbina, al fine di evitare danni alle palettature della stessa. Una volta iniettato in camera di combustione, il vapore è miscelato sia con il combustibile (contribuendo a contenere le emissioni di NOx) sia con l’aria, poi è fatto espandere in turbina e, dopo aver attraversato la caldaia a recupero, è scaricato all’esterno a pressione ambiente.

Nella maggior parte delle applicazioni il ciclo STIG è impiegato nei sistemi di medio-grande taglia e uno dei suoi principali punti di forza è la sua grande versatilità in cogenerazione. Infatti, il vapore prodotto dalla caldaia può essere inviato a un’utenza termica oppure alla turbina a gas (per incrementare la potenza elettrica prodotta) a seconda dell’andamento temporale della richiesta termica o elettrica.

Risulta essere molto interessante la prospettiva di poter combinare il funzionamento di un ciclo STIG con una fuel cell ad alta temperatura. Uno dei possibili modi con cui tale integrazione può essere effettuata è illustrata in Figura 3.8.

In particolare, in Figura 3.8 è rappresentato un sistema ibrido di taglia media costituito da uno stack SOFC con reforming interno indiretto, combinato con un turbogas, uno scambiatore rigenerativo e una caldaia a recupero. Il sistema rappresentato può produrre una potenza totale di circa 14 MW con un rendimento del 66% [28].

Figura 3.8: Sistema ibrido SOFC/STIG [28]

L’aria che deve alimentare lo stack SOFC viene prima compressa dal compressore del turbogas, poi preriscaldata in uno scambiatore rigenerativo tramite il flusso dei gas caldi uscenti dalla turbina. Prima di essere inviata al comparto catodico della cella, l’aria subisce un ulteriore riscaldamento (fino alla temperatura di funzionamento di cella, che è 1012 °C) in un preriscaldatore (APH) per mezzo del calore prodotto in una camera di combustione (CZ), dove reagiscono il flusso di output catodico con parte di quello anodico che si trovano alla stessa temperatura. Parte del flusso di ricircolo anodico è miscelato con il combustibile compresso nel mixer (MIX) e il flusso risultante è inviato nel reformer, che è a stretto contatto termico con la SOFC.

Nel combustore del turbogas reagiscono il flusso dei gas in uscita dallo stack ricchi di ossigeno, il combustibile compresso e una portata di vapore surriscaldato proveniente dalla caldaia a recupero. Infatti (Figura 3.8), in questo sistema è presente una caldaia a recupero a un solo livello di pressione per la generazione del vapore, dove sono inviati i gas esausti dalla turbina. Nella caldaia entra un flusso di acqua in controcorrente con i gas caldi, che attraversa prima un economizzatore (ECO) subendo un preriscaldamento e uscendo da esso in condizioni di liquido saturo, poi è inviato in un evaporatore (EVA) e infine, il vapore prodotto è surriscaldato in un surriscaldatore (SUP) prima di essere iniettato nel combustore della turbina.

Nel sistema analizzato è considerato un modulo SOFC pressurizzato, la cui pressione di funzionamento è uguale a 9,9 bar. Il rapporto di compressione del ciclo STIG è pari a

9,9. E’ stato dimostrato [28] che all’aumentare del rapporto di compressione, aumenta ilvapore prodotto e iniettato nel combustore del turbogas (e quindi la potenza prodotta dal turbogas) e aumenta inoltre, la potenza prodotta dalla SOFC. Quindi un aumento del rapporto di compressione determina un aumento della potenza totale prodotta dal sistema ibrido considerato. Rispetto al sistema ibrido fuel cell/ciclo a gas inoltre, si ha una minore quantità di calore disperso per merito del recupero del calore impiegato per la produzione del vapore.

Se si effettua un confronto, si ha che il rendimento elettrico del sistema ibrido SOFC/STIG considerato (pari al 66,12%) è maggiore sia del rendimento di un sistema SOFC/TG di uguale taglia, sia del rendimento elettrico di un sistema ibrido SOFC/TG di taglia dell’ordine dei MW studiato dalla Siemens, pari al 58,62% [28].