1Indice delle figure___________________________________________________ 4 Indice delle tabelle___________________________________________________ 7 Introduzione________________________________________________________ 8 Capitolo 1: Lo sviluppo sostenibile

Indice delle figure___________________________________________________ 4

Indice delle tabelle___________________________________________________ 7

Introduzione________________________________________________________ 8

Capitolo 1: Lo sviluppo sostenibile e il protocollo di Kyoto _________________ 12

1.1 Il problema energetico mondiale ___________________________________ 12 1.2 I cambiamenti climatici: __________________________________________ 22 1.3 Il protocollo di Kyoto_____________________________________________ 27 1.4 La strategia energetica italiana in seguito al Protocollo di Kyoto_________ 29 1.4 L’efficienza energetica____________________________________________ 34 1.5 La cogenerazione ________________________________________________ 35 1.6 Le fonti rinnovabili ______________________________________________ 37 1.7 Il ruolo dell’idrogeno nel panorama energetico mondiale _______________ 39 1.8 Cenni giuridici sul rinnovabile e le assimilate_________________________ 40

Capitolo 2: Applicazioni stazionarie di sistemi a celle a combustibile _________ 47

2.1 Generalità ______________________________________________________ 47 2.2 Descrizione di sistemi di generazione a celle a combustibile _____________ 49 2.3 Modulo di potenza elettrochimica: celle a combustibile ________________ 51 2.3.1 Classificazione delle celle a combustibile __________________________________54 2.3.2 Celle a combustibile ad elettrolita polimerico _______________________________56 2.3.3.a Elettrolita ______________________________________________________57 2.3.3.b Elettrodi _______________________________________________________58 2.3.3.c Assemblaggio stack ______________________________________________60 2.3.3.d Termodinamica delle celle ad elettrolita polimerico _____________________60 2.3.3.e Caratteristica elettrica di una PEM___________________________________63 2.3.4 Modulo di trattamento del combustibile ___________________________________69 2.3.5 Tecnologie di conversione del gas naturale _________________________________71 2.3.5.a Lavaggio del gas naturale__________________________________________71 2.3.5.b Conversione del gas naturale_______________________________________72 2.3.5.c Steam Reforming ________________________________________________72 2.3.5.d Ossidazione parziale______________________________________________75 2.3.5.e Autothermal reforming____________________________________________75 2.3.5.f Conversione del monossido di carbonio_______________________________76 2.4 Sezione di condizionamento della potenza____________________________ 77 2.5 Caratteristiche principali dei sistemi di generazione a celle a combustibile 78

Capitolo 3: Caratteristiche del sistema cogenerativo PEM analizzato _________ 80

3.1 Schema di impianto del sistema PEFC a gas naturale __________________ 80

3.1.1 Sezione di fuel processing ______________________________________________82 3.1.2 Stack_______________________________________________________________83 3.1.3 Il sistema di accumulo elettrico __________________________________________83 3.1.4 Il sistema di condizionamento della potenza e di connessione alla rete____________84 3.1.5 Il sistema di cogenerazione _____________________________________________85 3.1.6 Il sistema di controllo remoto e locale _____________________________________86 3.2 Specifiche tecniche _______________________________________________ 87 3.2 Caratterizzazione termodinamica __________________________________ 87 3.3 Assimilabilità alla cogenerazione ___________________________________ 93 3.4 Caratterizzazione emissioni _______________________________________ 94

Capitolo 4:

Modellazione del comportamento dinamico del reattore di steam reforming ___ 95

4.1 Caratteristiche dinamiche generali dell’impianto _____________________ 95 4.2 Cenni sulla dinamica dello stack ___________________________________ 98 4.3 Dinamica del fuel-processor _______________________________________ 98 4.3.1 Modello dinamico del reattore di steam reforming ___________________________99

4.3.1.a Ipotesi utilizzate nella formulazione del modello dinamico di steam reforming 100

4.3.1.b Formulazione analitica del modello _________________________________103 4.3.1.c Risoluzione numerica delle equazioni del modello _____________________112 4.3.1.d Determinazione numerica delle condizioni iniziali _____________________112 4.3.1.e Struttura e caratteristiche del modello _______________________________114 4.3.1.f Dati di input ___________________________________________________115 4.3.1.g Calcolo delle proprietà fisiche e chimiche degli elementi gassosi __________116 4.3.1.g Determinazione delle condizioni iniziali del modello dinamico ___________116 4.3.2 Simulatore dinamico _________________________________________________116

Capitolo 5: Analisi dei risultati_______________________________________ 123

5.1 Simulazione della risposta a disturbi a gradino prefissati ______________ 123 5.1.1 Risposta ad una variazione della portata di metano in ingresso_________________125 5.1.2 Risposta ad una variazione della portata di acqua in ingresso __________________129 5.1.3 Risposta ad una variazione della temperatura dei fumi in ingresso ______________132 5.2 Funzioni di trasferimento semplificate in un intorno del punto di lavoro _ 134 5.2.1 Funzione di trasferimento per variazioni di portata di metano__________________135 5.2.2 Funzione di trasferimento per variazioni di portata di acqua ___________________139 5.2.3 Funzione di trasferimento per variazioni di temperatura dei fumi _______________143 5.3 Ipotesi di controllo e confronto con i risultati sperimentali_____________ 145

Conclusioni ______________________________________________________ 149

Appendice A: La produzione di energia elettrica in Italia _________________ 150

A.1 Generalità _____________________________________________________ 150 A.2 La domanda di energia elettrica___________________________________ 150 A.3 La generazione di energia elettrica ________________________________ 152 A.4 Cenni storici sulla produzione di energia elettrica in Italia_____________ 155 A.4.1 Le origini __________________________________________________________155 A.4.2 Il periodo di potenziamento tecnico e finanziario (1915-1925) _________________157 A.4.3 Espansione ed oligopolio (1926-1945): ___________________________________158 A.4.4 Dal dopoguerra alla nazionalizzazione (1946-1962) _________________________159 A.4.5 Lo sviluppo dell’ENEL (1963-1996) _____________________________________163 A.4.6 Processo di liberalizzazione e di privatizzazione____________________________167 A.5 Situazione della produzione di energia elettrica

in Italia in seguito alla liberalizzazione _____________________________ 173

Appendice B:

Proprietà fisico-chimiche dell’idrogeno e principali tecnologie di produzione _ 175

B.1 Caratteristiche generali dell’idrogeno ______________________________ 175 B.2 Tecnologie di produzione dell’idrogeno_____________________________ 182 B.2.1 L’elettrolisi dell’acqua ________________________________________________184 B.2.2 Steam reforming_____________________________________________________187 B.2.3 Ossidazione parziale non catalitica di idrocarburi ___________________________189 B.2.4 Gassificazione del carbone_____________________________________________190 B.2.5 Gassificazione e pirolisi delle biomasse___________________________________192 B.2.6 Metodi basati su fonti rinnovabili _______________________________________193

Appendice C: Codice Matlab® per la determinazione delle condizioni iniziali _198

Appendice D: Schemi Simulink® del simulatore dinamico _________________203

Bibliografia_______________________________________________________233

Indice delle figure

Figura 1.1 – Correlazioni fra condizioni di vita ed approvvigionamento energetico[1] __________13 Figura 1.2 - Implicazioni di un adeguato approvvigionamento energetico[2] __________________14 Figura 1.3 – Disponibilità energetica pro-capite in TEP [3] _______________________________14 Figura 1.4 - Consumi mondiali di energia, in Tep dal 1850 ai giorni nostri [3] ________________15 Figura 1.5 - Trend dei consumi energetici mondiali previsto dal World Energy Outlook 2001 _____15 Figura 1.6 - Consumi energetici mondiali dell’anno 1980 divisi per fonti [4] __________________16 Figura 1.7 - Consumi energetici mondiali dell’anno 1996 divisi per fonti [4] __________________16 Figura 1.8 - Produzione energia elettrica mondiale dell’anno 1973 divisa per fonti [5] __________16 Figura 1.9 - Produzione energia elettrica mondiale dell’anno 1998 divisa per fonti [5] __________17 Figura 1.10 - Previsione del trend di aumento della popolazione mondiale dal 1950 al 2050 [6]___18 Figura 1.11 - Previsione del trend di aumento della popolazione mondiale dal 1950 al 2020______19 Figura 1.12 - Tassi di crescita nel periodo 1990-1995 nei vari paesi del mondo ________________19 Figura 1.13 - Fenomeni legati all’effetto serra [10] ______________________________________23 Figura 1.14 - Contributo all’effetto serra dei gas presenti nell’atmosfera [9] __________________24 Figura 1.15 - Contributo relativo all’effetto serra dei gas origine antropogenica [9] ____________24 Figura 1.16 - Concentrazione dei gas serra negli ultimi secoli [9]___________________________25 Figura 1.17 – Variazione nella temperatura media annuale________________________________26 Figura 1.18 - Dinamica delle temperature medie mondiali dal 1950 al 1999 [9]________________26 Figura 1.19 - Paesi che hanno ratificato il protocollo di Kyoto (in verde) _____________________28 Figura 1.20 - Percentuali di emissione dei vari paesi _____________________________________29 Figura 1.21 - Consumi energetici in Italia divisi per settori ________________________________30 Figura 1.22 - Trend grandezze elettriche rispetto al PIL dal 1995 al 2000 ____________________31 Figura 1.23 - Trend degli usi finali di energia per fonte dal 1980 al 2000 _____________________33 Figura 1.24 - Obiettivi preposti dalla Commissione Europea sulle fonti rinnovabili per la produzione di energia elettrica, confrontati ai dati 1997____________________________________________37

Figura 2.1 - Prototipo di 4° generazione (2000) di bus a celle a combustibile della XCELLSIS ____48 Figura 2.2 - Sezione di un autobus alimentato con fuel cell________________________________48 Figura 2.3 - Schema generale di un sistema di generazione a celle a combustibile con trattamento del combustibile esterno ______________________________________________________________50 Figura 2.4 - Schema generale di un sistema di generazione a celle a combustibile con reforming interno _________________________________________________________________________50 Figura 2.5 - Schema di funzionamento di una cella alimentata con idrogeno puro ______________52 Figura 2.6 – Curva caratteristica tensione/densità di corrente in una cella a combustibile PEM ___66 Figura 2.7 - Andamento della potenza in una cella a combustibile PEM ______________________67 Figura 2.8 - Unità di fuel processing gas naturale: fasi principali e tipiche temperature di

funzionamento ___________________________________________________________________71 Figura 2.9 - Schema tipico di reformer di piccola taglia __________________________________73 Figura 2.10 - Tipica sezione di condizionamento della potenza di impianti generativi a Fuel Cell __77

Figura 3.1 - Schema di processo della RCU e temperature in condizioni nominali di funzionamento 81 Figura 3.2 - Modulo di condizionamento della potenza dell'impianto ________________________84 Figura 3.3 - Conversione energetica per tre diverse condizioni di carico elettrico ______________90 Figura 3.4 - Andamento delle efficienze relative ai singoli sottosistemi _______________________91 Figura 3.5 - Andamenti dell’efficienza elettrica, termica e totale al variare della potenza elettrica generata ________________________________________________________________________92 Figura 3.6 - Efficienza elettrica e termica dell’impianto analizzato confrontate con la curva limite individuata applicando la normativa sulla cogenerazione _________________________________94

Figura 4.1 - Andamento reale della corrente di cella in risposta ad un aumento del carico elettrico da 3300W a 4000W__________________________________________________________________96 Figura 4.2 - Andamento reale della corrente di cella in risposta ad una diminuzione del carico elettrico da 4200W a 3500W ________________________________________________________97 Figura 4.3 - Tipiche risposte dinamiche delle celle PEM a gradini di corrente [17] _____________98 Figura 4.4 - Bilancio di massa nello steam reformer ____________________________________104 Figura 4.5 - Scambi termici nello steam reformer_______________________________________107 Figura 4.6 - Equazioni generali del modello___________________________________________111 Figura 4.7 - Equazioni di regime____________________________________________________113 Figura 4.8 - Schema di flusso del simulatore __________________________________________114 Figura 4.9 - Schermata principale del modello Simulink _________________________________117 Figura 4.10 - Schema Simulink del sottosistema “steam reformer” _________________________118 Figura 4.11 - Schema Simulink del sottosistema “reattore” _______________________________119 Figura 4.12 - Schema Simulink del sottosistema "Interno reattore" _________________________120 Figura 4.13 - Schema Simulink del sottosistema "Concentrazione metano" ___________________122

Figura 5.1 - Profili di regime delle temperature della miscela reagente e dei fumi _____________124 Figura 5.2 - Profili di regime delle concentrazioni delle specie della miscela reagente__________124 Figura 5.3 - Andamento nel tempo della concentrazione del metano in uscita al reattore, in risposta ad un gradino della portata di metano in ingresso ______________________________________125 Figura 5.4 - Andamento nel tempo della portata di idrogeno in uscita al reattore, in risposta ad un gradino della portata di metano in ingresso ___________________________________________125 Figura 5.5 - Ingrandimento Figura 5.3 _______________________________________________126 Figura 5.6 - Andamento nel tempo della portata del monossido di carbonio in uscita al reattore, in risposta ad un gradino della portata di metano in ingresso _______________________________126 Figura 5.7 - Ingrandimento Figura 5.6 _______________________________________________127 Figura 5.8 - Andamento nel tempo della temperatura della miscela reagente in uscita al reattore, in risposta ad un gradino della portata di metano in ingresso _______________________________127 Figura 5.9 - Andamento nel tempo della concentrazione di acqua in uscita al reattore, in risposta ad un gradino della portata di acqua in ingresso__________________________________________129

Figura 5.10 - Andamento nel tempo della portata di idrogeno in uscita al reattore, in risposta ad un gradino della portata di acqua in ingresso ____________________________________________129 Figura 5.11 - Ingrandimento Figura 5.9 ______________________________________________130 Figura 5.12 - Andamento nel tempo della portata di monossido di carbonio in uscita al reattore, in risposta ad un gradino della portata di acqua in ingresso ________________________________130 Figura 5.13 - Andamento nel tempo della temperatura della miscela reagente in uscita al reattore, in risposta ad un gradino della portata di acqua in ingresso ________________________________131 Figura 5.14: Ingrandimento Figura 5.13 _____________________________________________131 Figura 5.15 - Andamento nel tempo della temperatura della miscela reagente in uscita al reattore, in risposta ad un gradino della temperatura dei fumi in ingresso_____________________________132 Figura 5.16 - Andamento nel tempo della portata di idrogeno in uscita al reattore, in risposta ad un gradino della temperatura dei fumi in ingresso_________________________________________133 Figura 5.17 - Andamento nel tempo della portata di monossido di carbonio in uscita al reattore, in risposta ad un gradino della temperatura dei fumi in ingresso_____________________________133 Figura 5.18 - Risposta della portata di idrogeno in uscita alla variazione di portata di metano in ingresso, depurata del picco iniziale _________________________________________________135 Figura 5.19 - Rappresentazione in scala semilogaritmica della risposta della portata di idrogeno in uscita alla variazione di portata di metano in ingresso___________________________________136 Figura 5.20 - Schema Simulink semplificato del legame fra le portate di idrogeno in uscita e di metano in ingresso_______________________________________________________________136 Figura 5.21 - Risultato del modello semplificato per la risposta della portata di idrogeno in uscita alla variazione di portata di metano in ingresso ________________________________________137 Figura 5.22 - Schema Simulink semplificato del legame fra le portate di monossido di carbonio in uscita e di metano in ingresso ______________________________________________________137 Figura 5.23 - Risultato del modello semplificato per la risposta della portata di monossido di

carbonio in uscita alla variazione di portata di metano in ingresso _________________________138 Figura 5.24 - Rappresentazione in scala semilogaritmica della risposta della temperatura della miscela in uscita alla variazione di portata di metano in ingresso __________________________138 Figura 5.25 - Schema Simulink semplificato del legame fra la temperatura della miscela in uscita e la portata di metano in ingresso ______________________________________________________139 Figura 5.26 - Risultato del modello semplificato per la risposta della temperatura della miscela in uscita alla variazione di portata di metano in ingresso___________________________________139 Figura 5.27 - Risposta della portata di idrogeno in uscita alla variazione di portata di acqua in ingresso, depurata del picco iniziale _________________________________________________140 Figura 5.28 - Rappresentazione in scala semilogaritmica della risposta della portata di idrogeno in uscita alla variazione di portata di acqua in ingresso____________________________________140 Figura 5.29: Schema Simulink semplificato del legame fra la portata di idrogeno in uscita e la portata di acqua in ingresso______________________________________________________________141 Figura 5.30 - Risultato del modello semplificato per la risposta della portata di idrogeno in uscita alla variazione di portata di acqua in ingresso _________________________________________141

Figura 5.31: Schema Simulink semplificato del legame fra la portata di monossido di carbonio in uscita e la portata di acqua in ingresso_______________________________________________142 Figura 5.32: Risultato del modello semplificato per la risposta della portata di monossido di carbonio in uscita alla variazione di portata di acqua in ingresso__________________________________142 Figura 5.33 - Schema Simulink semplificato del legame fra la temperatura della miscela reagente in uscita e la portata di acqua in ingresso_______________________________________________143 Figura 5.34 - Risultato del modello semplificato per la risposta della temperatura della miscela reagente in uscita alla variazione di portata di acqua in ingresso __________________________143 Figura 5.35 - Schema Simulink semplificato del legame fra la temperatura della miscela reagente in uscita e la temperatura dei fumi in ingresso ___________________________________________144 Figura 5.36 - Risultato del modello semplificato per la risposta della temperatura della miscela reagente in uscita alla variazione della temperatura dei fumi in ingresso.____________________144 Figura 5.37 - Andamento reale della temperatura di parete del tubo interno del reattore in condizioni nominali _______________________________________________________________________145 Figura 5.38: Andamento simulato della temperatura di parete del tubo interno del reattore in condizioni nominali ______________________________________________________________146 Figura 5.39: Simulazione dell’andamento dell’eccesso di idrogeno a fronte di brusche variazioni di corrente erogata dallo stack _______________________________________________________147 Figura 5.40 - Simulazione dell’andamento dell’eccesso di idrogeno a fronte di variazioni frazionate della corrente erogata dallo stack ___________________________________________________148

Indice delle tabelle

Tabella 1.1 - L’urbanizzazione della popolazione mondiale [7] _____________________________20 Tabella 1.2 - Le prime 20 metropoli nel Mondo nell’ultimo secolo (in migliaia di abitanti) [8] ____20 Tabella 1.3 - Fonti energetiche di un paese ad economia depressa: l’ETIOPIA ________________21 Tabella 1.4 - Usi finali di energia per settore ___________________________________________31

Tabella 2.1 - classificazione delle celle a combustibile e loro principali caratteristiche [13] ______55 Tabella 2.2 - Possibili reazioni nel reattore di steam reforming di metano [18] ________________74 Tabella 2.3 - Tipica composizione del gas all’uscita dello steam reforming e dello shift converter__77

Introduzione

Il settore energetico mondiale è attualmente in un periodo di transizione. Le riserve

di combustibili fossili diminuiscono progressivamente ed il loro impiego è reso

difficile da questioni ambientali ed economiche. Infatti, la sfida per il futuro sarà

quella di conciliare le due contrastanti esigenze che vanno delineandosi a livello

globale: la crescita della domanda mondiale di energia ed il relativo aumento

dell’impatto ambientale, locale e globale, dovuto alle attuali fonti di energia. In

questa ottica ed a fini cautelativi è nato nel 1997 il protocollo di Kyoto che, pur non

essendo ancora stato ratificato dalla maggior parte dei paesi firmatari, ha avuto

comunque il merito di promuovere iniziative concrete per avviare interventi

finalizzati prioritariamente all’uso razionale dell’energia, al miglioramento

dell’efficienza dei processi di conversione e produzione, e al graduale passaggio

verso combustibili a minor contenuto di carbonio. A tal proposito, lo sviluppo

dell’idrogeno, come vettore energetico, sta ricevendo attenzione crescente per i suoi

potenziali benefici a livello ambientale; l’idrogeno, inoltre, potrebbe soddisfare tre

requisiti fondamentali: impatto ambientale teoricamente tendente a zero,

producibilità da una pluralità di fonti, anche rinnovabili e possibilità di distribuzione

in rete.

In realtà, si è ancora lontani dal poter verificare i requisiti sopra descritti, in quanto le

tecnologie ad idrogeno sono, di fatto, ancora in una fase sperimentale: se da una

parte, vi sono già buoni risultati nell’ambito dell’utilizzo energetico di questo vettore,

soprattutto nel settore dei trasporti, dall’altra, nell’ambito dei processi di produzione

da fonti rinnovabili, non vi sono ancora risultati competitivi dal punto di vista

tecnico-economico; a questo bisogna aggiungere i problemi legati allo stoccaggio ed

al trasporto di un gas così leggero (le molecola di H

2

pesano 14,4 volte meno di

quelle dell’aria), esplosivo, infiammabile ed estremamente volatile come l’idrogeno.

Sarà difficile sviluppare in poco tempo una vera e propria struttura energetica basata

sull’idrogeno, soprattutto se non si otterranno esiti scientifici tali da dimostrare che

un investimento in tal senso sia concretamente giustificato da benefici reali, frutto di

un opportuno compromesso tecnico-economico ed ambientale: solo un notevole

miglioramento delle tecnologie di produzione da fonti rinnovabili, che mostrino una

effettiva validità ecologica ed una buona competitività dei processi potrebbero dare

un impulso allo sviluppo di un sistema energetico integrato, composto non solo dal

vettore elettrico, ma anche da quello ad idrogeno.

Il settore in cui attualmente l’idrogeno sta riscuotendo più successo è quello dei

trasporti, dove i vantaggi in termini di tutela ambientale risultano più immediati: in

questo ambito, la combustione ad idrogeno e le fuel cell, i cui rendimenti elettrici

stanno crescendo grazie allo sviluppo di nuove tecnologie, stanno riscuotendo via,

via maggiore interesse grazie al grande vantaggio di avere emissioni prossime zero;

in realtà, parlare di mobilità ad emissioni zero risulta essere non propriamente

corretto, in quanto ci si riferisce al fatto che mezzi di trasporto alimentati ad idrogeno

non producono inquinanti, ma non si considerano le sostanze generate nel processo

di produzione dell’idrogeno; bisogna, comunque, considerare che il controllo degli

inquinanti risulta vantaggioso nel caso in cui le emissioni sono confinate. Di fatto, il

maggior vantaggio della mobilità ad idrogeno è quello di relegare le emissioni di

inquinanti alla fase di produzione industriale del combustibile (l’idrogeno) e, quindi,

di salvaguardare l’ecosistema urbano, pur ottenendo mezzi di trasporto con

prestazioni paragonabili a quelle dei propulsori a benzina e gasolio, e con meno

problemi di accumulo energetico rispetto alle vetture elettriche.

Il perfezionamento della tecnologie delle fuell cell ed i buoni risultati ottenuti nei

rendimenti, sia in termini assoluti, sia di indipendenza dalla taglia e di costanza al

variare del carico, stanno spingendo i programmi di ricerca dei principali Paesi

industrializzati nel mondo, compreso quelli dell’Unione Europea, ad approfondire le

potenzialità di tali tecnologie anche nell’ambito della produzione di energia elettrica.

Anche in questo settore i problemi principali sono legati alla produzione

dell’idrogeno, i cui processi attualmente conosciuti, se si escludono quelli basati su

fonti fossili, non sono ancora competitivi né economicamente, né in termini di

rendimenti exergetici. Ad oggi il metodo più economico e tecnicamente più valido

per la produzione in grandi quantità è il reforming di idrocarburi, principalmente

metano.

Nell’ambito della produzione di energia elettrica le tecnologie che sembrano

presentare discrete prospettive di sviluppo in breve tempo, sono quelle che sfruttano

l’idrogeno generato come co-prodotto dell’industria chimica, in particolare dei

processi di produzione del polivinile di cloruro (PVC) e di raffinazione del petrolio;

quelle che utilizzano la produzione elettrolitica e lo stoccaggio dell’idrogeno come

tampone rispetto alla variabilità del carico (centrali fotovoltaiche ad idrogeno);

quelle che prevedono l’integrazione del processo di steam reforming con quello della

seppur ancora in una fase sperimentale, stanno avendo un buon sviluppo perché,

prevedendo lo steam reforming in loco, non necessitano di strutture di trasporto e di

distribuzione dell’idrogeno, per i quali occorrerebbero onerosi investimenti; inoltre,

consentono l’ottimizzazione degli scambi termici interni tra il reattore di steam

reforming, che necessita di calore in quanto le reazioni al suo interno sono

endotermiche, e le fuel cell che, invece, producono calore durante il loro

funzionamento; infine, con piccoli accorgimenti, questi impianti divengono

facilmente unità cogenerative per la produzione di energia elettrica e calore: come

mostrano le efficienze complessive dei sistemi di ultima generazione (anche

dell’80%), si riesce ad ottenere un buon risparmio energetico e, quindi, una riduzione

delle emissioni per unità di energia prodotta. In questo senso, queste apparecchiature

potrebbero rientrare nell’ottica degli obiettivi del protocollo di Kyoto.

Questi sistemi, quindi, da una parte potrebbero rappresentare una sorta di “ponte

tecnologico” verso innovativi e competitivi sistemi di generazione dell’idrogeno

basati sullo sfruttamento diretto delle fonti rinnovabili, dall’altra potrebbero essere da

subito presi in considerazioni come buoni impianti di cogenerazione, nonché come

affidabili unità di generazione in isola. Affinché, però, queste tecnologie possano

davvero diffondersi, occorre non solo un miglioramento delle efficienze complessive

e della durata media di vita dei componenti, soprattutto delle celle, ma anche una

sostanziale diminuzione dei costi di impianto e di manutenzione, nonché

un’ottimizzazione del loro comportamento dinamico.

L’oggetto di questa tesi, svolta in collaborazione con Enel-Ricerca di Pisa, è proprio

l’analisi del comportamento dinamico del prototipo beta di un sistema cogenerativo

basato su celle a combustibile ad elettrolita polimerico, acquistato dal centro ricerca

nell’ambito delle attività di studio rivolte ad approfondire le caratteristiche tecniche

ed operative di differenti tecnologie utilizzabili nella generazione distribuita. Da

studi effettuati in letteratura [17], si è dedotto immediatamente che la parte del

processo più critica dal punto di vista dinamico è quella del reforming del

combustibile, con cui il metano e l’acqua vengono convertiti in idrogeno e

monossido di carbonio. Le costanti di tempo del reattore di steam reforming,

ipotizzato di tipo plug flow, risultano ben più grandi di quelle relative alla

conversione elettrochimica della pila a combustibile. Per questo motivo il lavoro,

basato anche sull’analisi dei risultati di prove sperimentali condotte direttamente

sull’impianto installato nell’area sperimentale Enel di Livorno, si è focalizzato sullo

sviluppo di un modello dinamico che descrivesse la cinetica delle reazioni coinvolte

nel processo. Nel modello, inoltre, sono stati considerati aspetti connessi alla

trasmissione del calore e alla diffusione dei gas lungo il reattore.

Il simulatore, ottenuto con approccio analitico attraverso l’individuazione e la

discretizzazione dei sistemi di equazioni differenziali alle derivate parziali

(conservazione della massa e dell’energia), è stato implementato con il software

“Matlab_6.5®”: più precisamente, è stata creata una routine di Matlab per la

soluzione del sistema di equazioni differenziali nella variabile “z” (lunghezza), che

descrive la distribuzione della miscela gassosa lungo l’asse del reattore allo stato

stazionario; questi risultati, poi, sono stati utilizzati come condizioni iniziali per il

modello dinamico realizzato con il tool “Simulink®”.

Il sistema è stato testato per lo studio delle risposte ad alcuni disturbi che riducono la

produzione di idrogeno e, al tempo stesso, rischiano di influenzare la prestazioni

dell’impianto.

Infine, dall’analisi delle risposte ai disturbi sopra indicati sono state ricavate funzioni

di trasferimento ragionevolmente semplificate, ma sufficienti a descrivere con buona

approssimazione il comportamento dinamico del reattore nell’intorno del punto di

lavoro.