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Consiglio Nazionale delle Ricerche Istituto di Tecnologie Avanzate per lEnergia Nicola Giordano Consiglio Nazionale delle Ricerche F. Cipitì, V. Recupero.

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1 Consiglio Nazionale delle Ricerche Istituto di Tecnologie Avanzate per lEnergia Nicola Giordano Consiglio Nazionale delle Ricerche F. Cipitì, V. Recupero Istituto di Tecnologie Avanzate per lEnergia Nicola Giordano, Messina Torino, 16 giugno 2004 Idrogeno: filiera e tecnologie correlate Sistemi per la produzione di Idrogeno da combustibili fossili tradizionali per lutilizzo in celle a combustibile ad elettrolita polimerico (PEFC)

2 Consiglio Nazionale delle Ricerche Istituto di Tecnologie Avanzate per lEnergia Nicola Giordano 1. Introduzione Combustibili 2. Processi di reforming 3. CO clean-up 4. Stato dellarte 5. HYGen I – ITAEs HYdrogen Generator Prototype 7. Conclusioni 8. Steam Reforming (SR) Partial Oxidation (POX) Autothermal Reforming (AR) Sommario Programmi internazionali e nazionali 6.

3 Consiglio Nazionale delle Ricerche Istituto di Tecnologie Avanzate per lEnergia Nicola Giordano Combustibili 2. Processi di reforming 3. CO clean-up 4. Stato dellarte 5. HYGen I – ITAEs HYdrogen Generator Prototype 7. Conclusioni 8. Steam Reforming (SR) Partial Oxidation (POX) Autothermal Reforming (AR) Sommario 1. Introduzione Programmi internazionali e nazionali 6.

4 Consiglio Nazionale delle Ricerche Istituto di Tecnologie Avanzate per lEnergia Nicola Giordano Dove si può utilizzare? H2H2 Sistemi Portatili Celle a combustibile a bassa temperatura Trasporto Celle a combustile a bassa temperatura Stazionario Celle a combustibile Introduzione H2H2

5 Consiglio Nazionale delle Ricerche Istituto di Tecnologie Avanzate per lEnergia Nicola Giordano EXHAUST FUEL WATER MANAGEMENT EXHAUST D.C. ENERGY HEAT MANAGEMENT HEATUTILIZATION FUEL CELL STACK WATER TANK AIR PEFC System Introduzione ReformingShiftCOclean-up Fuel processor

6 Consiglio Nazionale delle Ricerche Istituto di Tecnologie Avanzate per lEnergia Nicola Giordano È la chiave per una veloce e rapida commercializzazione delle fuel cells, superando il problema dellinfrastruttura per lidrogeno È possibile ricavare lidrogeno da combustibili diversi: metanolo/etanolo metanolo/etanolo metano metano benzina/gasolio benzina/gasolio LPG LPG nafta nafta Processi utilizzati OSSIDAZIONE PARZIALE (POX) STEAM REFORMING (SR)AUTOTHERMAL(AR) Il Fuel Processor Introduzione

7 Consiglio Nazionale delle Ricerche Istituto di Tecnologie Avanzate per lEnergia Nicola Giordano Richieste di un Fuel Processor per FC Obiettivi di efficienza per: A. Conversione del combustibile in idrogeno Bilanci energetici del sistema complessivo Abbattimento del CO Comportamento in fase di start-up – shut-down B. Costi competitivi F. Emissioni C. Comportamento in condizioni non stazionarie D. Dimensioni (ingombri, peso) E. Introduzione

8 Consiglio Nazionale delle Ricerche Istituto di Tecnologie Avanzate per lEnergia Nicola Giordano Combustibili 2. Processi di reforming 3. CO clean-up 4. Stato dellarte 5. HYGen I – ITAEs HYdrogen Generator Prototype 7. Conclusioni 8. Steam Reforming (SR) Partial Oxidation (POX) Autothermal Reforming (AR) Sommario 1. Introduzione Programmi internazionali e nazionali 6.

9 Consiglio Nazionale delle Ricerche Istituto di Tecnologie Avanzate per lEnergia Nicola Giordano Combustibili Combustibili per Fuel Cell NUCLEARSOLARWATER/WINDBIOMASSWASTESCOALCNGOIL PrimaryEnergy GASOLINEMETHANOLHYDROGEN SecondaryEnergy FUEL CELL POXAUTOTHERMAL STEAM R. On-board Fuel Processing

10 Consiglio Nazionale delle Ricerche Istituto di Tecnologie Avanzate per lEnergia Nicola Giordano Classificazione dei Fuel Processors Combustibili In accordo al Combustibile… Gas Naturale Gas Naturale Alto contenuto di Idrogeno, laccumulo e la distribuzione possono essere problematici. Metanolo Metanolo Relativamente facile da riformare, accumulare, distribuire. Benzina Benzina Infrastruttura corrente, alta temperatura di reforming, prodotti secondari.

11 Consiglio Nazionale delle Ricerche Istituto di Tecnologie Avanzate per lEnergia Nicola Giordano Produzione dellidrogeno dal gas naturale (metano) Combustibili VantaggiSvantaggi Tecnologia serbatoio accumulo sviluppata. Tecnologia serbatoio accumulo sviluppata. Infrastruttura sufficientemente distribuita sul territorio. Infrastruttura sufficientemente distribuita sul territorio. Relativa semplicità di trasformazione con assenza di prodotti secondari. Relativa semplicità di trasformazione con assenza di prodotti secondari. Composizione omogenea Composizione omogenea Reformer non completamente sviluppato per un utilizzo on board. Reformer non completamente sviluppato per un utilizzo on board. Necessità di unità di desolforazione. Necessità di unità di desolforazione. Accumulo in serbatoi a pressione. Accumulo in serbatoi a pressione.

12 Consiglio Nazionale delle Ricerche Istituto di Tecnologie Avanzate per lEnergia Nicola Giordano Produzione dellidrogeno dal metanolo Combustibili VantaggiSvantaggi Il combustibile liquido in condizioni ambiente consente: Il combustibile liquido in condizioni ambiente consente: -Serbatoio compatto, leggero ed economico - Più semplice sviluppo di infrastrutture rispetto ai combustibili gassosi. - Più semplice sviluppo di infrastrutture rispetto ai combustibili gassosi. Relativa semplicità di trasformazione con aumento dellefficienza del sistema. Relativa semplicità di trasformazione con aumento dellefficienza del sistema. Composizione omogenea del combustibile. Composizione omogenea del combustibile. Possibilità di ottenerlo da fonti rinnovabili con conseguente miglioramento dei problemi di risorse energetiche, qualità dellaria, effetto serra. Possibilità di ottenerlo da fonti rinnovabili con conseguente miglioramento dei problemi di risorse energetiche, qualità dellaria, effetto serra. Carenza infrastrutture Carenza infrastrutture Tossico Tossico Reformer non completamente sviluppato per un utilizzo on board. Reformer non completamente sviluppato per un utilizzo on board.

13 Consiglio Nazionale delle Ricerche Istituto di Tecnologie Avanzate per lEnergia Nicola Giordano Produzione dellidrogeno dalle benzine Combustibili VantaggiSvantaggi Infrastrutture disponibili. Infrastrutture disponibili. Serbatoio compatto, leggero, economico Serbatoio compatto, leggero, economico Reformer non completamente sviluppato per un utilizzo on board. Reformer non completamente sviluppato per un utilizzo on board. Presenza di aromatici. Presenza di aromatici. Formazione di prodotti secondari. Formazione di prodotti secondari. Rese in idrogeno inferiori. Rese in idrogeno inferiori.

14 Consiglio Nazionale delle Ricerche Istituto di Tecnologie Avanzate per lEnergia Nicola Giordano Combustibili 2. Processi di reforming 3. CO clean-up 4. Stato dellarte 5. HYGen I – ITAEs HYdrogen Generator Prototype 7. Conclusioni 8. Steam Reforming (SR) Partial Oxidation (POX) Autothermal Reforming (AR) Sommario 1. Introduzione Programmi internazionali e nazionali 6.

15 Consiglio Nazionale delle Ricerche Istituto di Tecnologie Avanzate per lEnergia Nicola Giordano Processi di reforming Classificazione dei Fuel Processors In accordo al tipo di Reazione… Steam Reforming Steam Reforming Reagisce con acqua, endotermica, trasferimento di calore indiretto, bassa temperatura, alta efficienza. Ossidazione Parziale Ossidazione Parziale Reagisce con ossigeno, esotermica, alta temperatura, rapido start up, compatto. Reforming Autotermico Reforming Autotermico Combina steam reforming ed ossidazione parziale, no extra riscaldamento o raffreddamento.

16 Consiglio Nazionale delle Ricerche Istituto di Tecnologie Avanzate per lEnergia Nicola Giordano Steam Reforming Processi di reforming tale reazione è endotermica, quindi necessita di una sorgente di calore la temperatura dipende dal tipo di idrocarburi utilizzato alla fase di reforming segue la fase cosiddetta di shift in cui si forma ulteriore idrogeno secondo la reazione: tale reazione è equimolecolare ed esotermica e viene solitamente fatta avvenire in due stadi diversi, uno ad alta e laltro a bassa temperatura C n H 2n+2 + nH 2 O = nCO + (2n+1)H 2 CO + H 2 O = CO 2 + H 2 Per un generico idrocarburo: Per un generico idrocarburo:

17 Consiglio Nazionale delle Ricerche Istituto di Tecnologie Avanzate per lEnergia Nicola Giordano Processi di reforming Ossidazione Parziale tale reazione è esotermica, non richiede quindi un apporto separato di calore La percentuale in volume di CO nei gas uscenti è elevata, circa il 30% in volume dei prodotti formati, pertanto anche in questo caso è necessario un secondo stadio di shift (HTSR e LTSR) per ridurre la concentrazione di CO C n H m + n/2 O 2 = n CO + m/2 H 2 Per un generico idrocarburo: Per un generico idrocarburo:

18 Consiglio Nazionale delle Ricerche Istituto di Tecnologie Avanzate per lEnergia Nicola Giordano Autothermal Reforming Processi di reforming x rappresenta il rapporto tra aria e combustibile; da esso dipende: la quantità di acqua necessaria a convertire il CO in CO 2 le moli di idrogeno prodotte la concentrazione di idrogeno nei gas in uscita il calore di reazione se x = 0 lequazione rappresenta la reazione di steam reforming se x = [n-(p/2)+(m/4)] lequazione rappresenta la reazione di combustione le condizioni di autothermal reforming si hanno in corrispondenza del valore di x che rende nullo il bilancio termico: il calore generato dalla reazione di ossidazione viene utilizzato dalla reazione di steam reformer Per un generico idrocarburo: Per un generico idrocarburo: C n H m O p + x(O N 2 ) + (2n–2x–p)H 2 O = nCO 2 + (2n-2x-p+m/2)H xN 2

19 Consiglio Nazionale delle Ricerche Istituto di Tecnologie Avanzate per lEnergia Nicola Giordano Fattori chiave Processi di reforming Qualità dellIdrogeno A. Stabilità della conversione B. Start up e shut down C. Risposte nei transitori D. Densità di potenza E.

20 Consiglio Nazionale delle Ricerche Istituto di Tecnologie Avanzate per lEnergia Nicola Giordano Combustibili 2. Processi di reforming 3. CO clean-up 4. Stato dellarte 5. HYGen I – ITAEs HYdrogen Generator Prototype 7. Conclusioni 8. Steam Reforming (SR) Partial Oxidation (POX) Autothermal Reforming (AR) Sommario 1. Introduzione Programmi internazionali e nazionali 6.

21 Consiglio Nazionale delle Ricerche Istituto di Tecnologie Avanzate per lEnergia Nicola Giordano Sistema di CO Clean-up a due stadi CO Clean-up Low Temperature Shift Converter (LTSC) 1. CO + H 2 O CO 2 + H 2 H = kJ/mol Preferential Oxidation (PrOx) 2. CO + ½ O 2 CO 2 H 2 + ½ O 2 H 2 O H = kJ/mol H = kJ/mol

22 Consiglio Nazionale delle Ricerche Istituto di Tecnologie Avanzate per lEnergia Nicola Giordano Purificazione dellIdrogeno CO Clean-up Metodi Fisici Metodi Chimici PSA (Pressure Swing Adsorption) PSA (Pressure Swing Adsorption) Membrane: Membrane: - metalliche (Pd o leghe) - polimeriche - ceramiche PROX PROX Metanazione Metanazione

23 Consiglio Nazionale delle Ricerche Istituto di Tecnologie Avanzate per lEnergia Nicola Giordano Combustibili 2. Processi di reforming 3. CO clean-up 4. Stato dellarte 5. HYGen I – ITAEs HYdrogen Generator Prototype 7. Conclusioni 8. Steam Reforming (SR) Partial Oxidation (POX) Autothermal Reforming (AR) Sommario 1. Introduzione Programmi internazionali e nazionali 6.

24 Consiglio Nazionale delle Ricerche Istituto di Tecnologie Avanzate per lEnergia Nicola Giordano Stato dellarte Fuel Processor 50 kW benzina (Dati PNGV) Durata(ore) Emissioni Densità di potenza/Potenza specifica (W/l, W/kg) Efficienza energetica (%) Risposte al transitorio (10-90% Potenza) (sec) Start-up – Potenza max (min) Contenuto di CO (stato stazionario) (ppm) Costi($/kW) * < 0.5 Cerchio interno Obiettivi 2000 Cerchio esterno Obiettivi 2004 Asterisco Stato attuale

25 Consiglio Nazionale delle Ricerche Istituto di Tecnologie Avanzate per lEnergia Nicola Giordano Processi di Reforming SOCIETÀCARBURANTEREFORMING Processi di conversione CO Stato della tecnologia capacità max (densità di potenza) WGSRPROX ADL/EPYXBenzina/MetanoloPOX 50 kW (0.7 kW/l) Daimler BenzMetanolo/BenzinaSR 50 kW (1.1 kW/l) General MotorsMetanolo/BenzinaSR 30 kW (0.5 kW/l) HondaMetanoloSR Hydrogen Burner TechBenzinaPOX 7-42 kW IFCMetanolo/BenzinaSR/POX 100 kW (0.008 kW/l) JET Propulsion lab.BenzinaPOX Johnson MattheyMetanolo/BenzinaSR/POX 10 kW (0.5 kW/l) MitsubishiMetanoloSR 10 kW (0.4 kW/l) NissanMetanoloSR ToyotaMetanoloSR 25 kW (0.6 kW/l) Wellman CJBBenzina/MetanoloPOX Stato dellarte

26 Consiglio Nazionale delle Ricerche Istituto di Tecnologie Avanzate per lEnergia Nicola Giordano Applicazioni mobili H2H2 Honda EV Plus Idrogeno compresso (disponibile per leasing) BMW Mini Hydrogen motore combustione interna Idrogeno liquido DaimlerChrysler: Citaro Bus – 2002 Idrogeno compresso (Madrid) Toyota FCHV 5 – 2001 Idrogeno da reforming della benzina Stato dellarte

27 Consiglio Nazionale delle Ricerche Istituto di Tecnologie Avanzate per lEnergia Nicola Giordano Applicazioni mobili H2H2 CRF: Centro Ricerche FIAT Fiat Seicento – Idrogeno Presentazione ufficiale: Milano - ottobre 2003 Numero posti: 4 Velocità max: 130 km/h Autonomia: 220 km (ciclo urbano) Capacità serbatoio: 1,6 kg Costi di investimento: 500mila euro Caratteristiche principali: Stato dellarte

28 Consiglio Nazionale delle Ricerche Istituto di Tecnologie Avanzate per lEnergia Nicola Giordano Applicazioni stazionarie H2H2 Ballard Power System: Impianto PEFC 250 kWe Gas naturale 9 unità tra il 1999 e il 2004 Berlin, Germany Crane, Indiana IdaTech FCS NG – 5 kWe Gas naturale o propano 20 unità 2001 – 80 unità 2002 Nuvera Fuel Cells Unità PEFC 5 kWe Gas naturale o Propano Unità PEFC 1 kWe Idrogeno PlugPower GenSys 5 kWe - Gas naturale 13 unità in Europa Stato dellarte

29 Consiglio Nazionale delle Ricerche Istituto di Tecnologie Avanzate per lEnergia Nicola Giordano Limpegno del CNR-ITAE H2H2 Prototipo di generatore di idrogeno da 5 kWe alimentato a Propano Stato dellarte

30 Consiglio Nazionale delle Ricerche Istituto di Tecnologie Avanzate per lEnergia Nicola Giordano Combustibili 2. Processi di reforming 3. CO clean-up 4. Stato dellarte 5. HYGen I – ITAEs HYdrogen Generator Prototype 7. Conclusioni 8. Steam Reforming (SR) Partial Oxidation (POX) Autothermal Reforming (AR) Sommario 1. Introduzione Programmi internazionali e nazionali 6.

31 Consiglio Nazionale delle Ricerche Istituto di Tecnologie Avanzate per lEnergia Nicola Giordano Obiettivi DOE per le celle a combustibile nel trasporto (PEFC) Entro il 2004, sviluppo e validazione delle tecnologie di sistemi di potenza di fuel-flexible fuel cell al fine di raggiungere in confronto al motore a combustione interna: costi, prestazioni, durata, sicurezza ed affidabilità competitivi Strategie seguite: On-Board: On-Board:Fuel flexible fuel processor (con le attuali infrastrutture per i combustibili) obiettivo primario: Combustibile-benzina Off-Board Off-Board:Generazione di idrogeno (nuove infrastrutture per i combustibili che portino ad una energia rinnovabile e sostenibile) accumulo di H 2 On-Board generazione di H 2 Off-Board Programmi internazionali e nazionali

32 Consiglio Nazionale delle Ricerche Istituto di Tecnologie Avanzate per lEnergia Nicola Giordano PNGV Timeline TechnologyCandidates Hybrid-Electric Fuel Cells CIDI Engines Turbines Stirling Low Emissions Technologies New Materials Advanced design Simulations Efficient Electronics/ Electrical Devices Advanced Batteries Ultra-Capacitors/ FlywheelsTechnologyDownselect Hybrid-Electric Vehicle Drive Direct-InJection Engines Fuel Cells Lightweight MatIsConceptVehicles DaimlerChrysler Jeep Commander Ford P2000 GM Precept PRODUCTION PROTOTYPES Programmi internazionali e nazionali

33 Consiglio Nazionale delle Ricerche Istituto di Tecnologie Avanzate per lEnergia Nicola Giordano California Fuel Cell Project GOVERNMENT MEMBERS FUELPROVIDERS AUTO/TECHNOLOGY PROVIDERS California Air Resources BoardBP (originally Arco)DaimlerChrysler California Energy CommissionShell HydrogenFord Motor Company South Coast Air Quality Man. Dist.TexacoHonda US Department of EnergyMethanex*Hyundai US Department of TransportationAir Products*Nissan AC Transit Agency*Linde, AG*Volkswagen SunLine Transit Agency*Praxair*Ballard Power Systems *Associate memberInternational Fuel Cell (IFC) Programmi internazionali e nazionali

34 Consiglio Nazionale delle Ricerche Istituto di Tecnologie Avanzate per lEnergia Nicola Giordano California Fuel Cell Project Light-Duty Demonstration Activity FuelsSchedule Phase IProgram developmentNA1999 Phase IIUp to 20 light-duty vehicles demonstratedHydrogen2000 to 2001 Phase IIIUp to 56 light-duty vehicles demonstratedMeOH/Gasol.2002 to 2003 Transit Bus Demonstration Activity FuelsSchedule Phase I1 FC bus demonstrated (SunLine)Hydrogen2000 to 2001 Phase II4 FC buses in two transit districtsHydrogen2002 Phase III20 FC buses in four transit districtsHydrogen2002 to 2003 Programmi internazionali e nazionali

35 Consiglio Nazionale delle Ricerche Istituto di Tecnologie Avanzate per lEnergia Nicola Giordano The FreedomCAR Partnership Progetto partito nel Gennaio 2002 Progetto partito nel Gennaio Partners: U.S. Department of Energy U.S. Council for Automotive Research Approccio: Approccio: - Sviluppare tecnologie in grado di garantire una produzione in massa di veicoli a celle a combustibile ed assicurare una adeguata infrastruttura per lidrogeno - Sviluppare tecnologie in grado di garantire sia laccumulo che la produzione di idrogeno on board. Programmi internazionali e nazionali

36 Consiglio Nazionale delle Ricerche Istituto di Tecnologie Avanzate per lEnergia Nicola Giordano Il VI Programma Quadro di Ricerca & Sviluppo Tecnologico Spazio Europeo della Ricerca – Uneconomia basata sulla conoscenza Spazio Europeo della Ricerca – Uneconomia basata sulla conoscenza Necessità di investire per migliorare i fattori competitivi dellUnione attraverso la creazione di una riserva di conoscenza da utilizzare a medio-lungo termine Importanza crescente della R&S Principi base Principi base Focalizzazione, integrazione, numero limitato di priorità, miglioramento dellimpatto Effetto strutturale (sostenibilità successiva) Progetti multipli (programmi coerenti) Approccio problem solving (coerenza tra obiettivi e attività)

37 Consiglio Nazionale delle Ricerche Istituto di Tecnologie Avanzate per lEnergia Nicola Giordano Il VI Programma Quadro di Ricerca & Sviluppo Tecnologico INTEGRARE LA RICERCA ( MEUR) INTEGRARE LA RICERCA ( MEUR) Aree tematiche prioritarie Genomica e biotecnologie per la salute (2.255 MEUR) Tecnologie per la società dellinformazione (3.625 MEUR) Nanotecnologie…, materiali…, processi di produzione (1.300 MEUR) Aeronautica e spazio (1.075 MEUR) Qualità, sicurezza alimentare e rischi per la salute (685 MEUR) Sviluppo sostenibile, cambiamento globale ed ecosistemi (2120 MEUR) Energia (810 MEUR) Trasporti (610 MEUR) Cambiamento globale ed ecosistemi (700 MEUR) Cittadini e governance nella società europea della conoscenza (225 MEUR) Attività specifiche riguardanti un settore di ricerca più ampio (1.300 MEUR)

38 Consiglio Nazionale delle Ricerche Istituto di Tecnologie Avanzate per lEnergia Nicola Giordano Programma MIUR ( ) Sviluppo di un sistema di generazione completo di potenza kW che utilizza gas naturale come combustibile Organizzazioni coinvolte nel programma ENEA, CNR-ITAE, Nuvera Fuel Cells, Centro Ricerche Fiat, Politecnico di Milano, Università di Brescia, Genova e Roma Costo Euro (contributo MIUR 44%) CNR-ITAE CNR-ITAE Progettazione e realizzazione di un prototipo di generazione di idrogeno Programmi internazionali e nazionali

39 Consiglio Nazionale delle Ricerche Istituto di Tecnologie Avanzate per lEnergia Nicola Giordano Programma FISR (bando 2001) Attività Sviluppo di tecnologie e componenti per sistemi con Celle a Combustibile ad elettrolita polimerico Organizzazioni coinvolte nel programma ENEA, CNR-ITAE, Roen Est, Università di Messina, Genova, Salerno, istituto CNR Motori, Istituto CNR Combustione, Politecnico Torino. Costo totale progetto: Euro (contributo MIUR 49%) Sottoprogetto SP2: Sviluppo catalizzatori per sistemi di trattamento del combustibile (GPL) Costo: Euro Programmi internazionali e nazionali

40 Consiglio Nazionale delle Ricerche Istituto di Tecnologie Avanzate per lEnergia Nicola Giordano Combustibili 2. Processi di reforming 3. CO clean-up 4. Stato dellarte 5. HYGen I – ITAEs HYdrogen Generator Prototype 7. Conclusioni 8. Steam Reforming (SR) Partial Oxidation (POX) Autothermal Reforming (AR) Sommario 1. Introduzione Programmi internazionali e nazionali 6.

41 Consiglio Nazionale delle Ricerche Istituto di Tecnologie Avanzate per lEnergia Nicola Giordano Key features The Prototype is currently under testing Feed: Light Hydrocarbons (propane, methane, LPG) Width:870 Net Size (mm)Width:870 Length:880 Height:970 Theoretical Efficiency 76% (Hydrogen HHV/Propane HHV):76% 2 Nm 3 /h Nominal Hydrogen Production:2 Nm 3 /h 5 Nm 3 /h Maximum Hydrogen Production:5 Nm 3 /h Applications: Stationary HYGen I – ITAEs HYdrogen Generator

42 Consiglio Nazionale delle Ricerche Istituto di Tecnologie Avanzate per lEnergia Nicola Giordano Objectives Evaluating Reactors Performance Evaluating System Performance Evaluating Transient Responses Identifying main limits of Reactors Validating Heat and Mass Balance HYGen I – ITAEs HYdrogen Generator

43 Consiglio Nazionale delle Ricerche Istituto di Tecnologie Avanzate per lEnergia Nicola Giordano Planning Stages 1. Chemical Processes Analysis Schematic Layout Analysis 2. Preliminary Measuring 3. 3-D Model Design 4. Chemical Processes Simulation 5. Screening Chemical Processes Analysis of the Accessibility for Maintenance Work Analysis of the Functionality – Aesthetics Relationship Prototype Assembly 6. Experimental Analysis 7. HYGen I – ITAEs HYdrogen Generator

44 Consiglio Nazionale delle Ricerche Istituto di Tecnologie Avanzate per lEnergia Nicola Giordano Inspiring principles… Fuel Processor Approaching We are sure that… Everything is improvable Everything is improvable Complex answers are in simple questions Complex answers are in simple questions Project Dynamics Project Dynamics Continuous and Parallel Information Update Continuous and Parallel Information Update Results flexibility – (scale - up) Results flexibility – (scale - up) Identifying and Optimization Planning Stages Identifying and Optimization Planning Stages HYGen I – ITAEs HYdrogen Generator

45 Consiglio Nazionale delle Ricerche Istituto di Tecnologie Avanzate per lEnergia Nicola Giordano Chemical Processes Study: Objectives Developing Prioprietary Catalyst suitable for AutoThermal Reforming (ATR) Searching and Selecting Commercial Catalyst suitable for Preferential Oxidation (PROX) Searching and Selecting Commercial Catalyst suitable for Water Gas Shift Reaction (WGSR) HYGen I – ITAEs HYdrogen Generator

46 Consiglio Nazionale delle Ricerche Istituto di Tecnologie Avanzate per lEnergia Nicola Giordano We worked with… The Engineering Approach to the Fuel Processor Excel Spreadsheet Excel Spreadsheet Preliminary Measuring. CAD 2-D, 3-D Modeling CAD 2-D, 3-D Modeling Schematic Layout and System Design. FEMLAB Simulation FEMLAB Simulation Mathematic Modeling. LabVIEW LabVIEW Data Acquisition and Instruments Control. HYGen I – ITAEs HYdrogen Generator

47 Consiglio Nazionale delle Ricerche Istituto di Tecnologie Avanzate per lEnergia Nicola Giordano Piping and Instrumentation Diagram (P&ID) HYGen I – ITAEs HYdrogen Generator

48 Consiglio Nazionale delle Ricerche Istituto di Tecnologie Avanzate per lEnergia Nicola Giordano ATR Reactor PROX Reactor IT SHIFT Reactor Heat Exchangers Plates in Shell PEFC Stack C 3 H 8 +X(O N 2 ) Out ATR Composition on dry basis, N 2 free H % CO % CO18.48 % Water Reservoir Out IT SHIFT Composition on dry basis, N2 free H % CO % CO 0.8 % Out PROX Composition on dry basis, N 2 free H % CO % CO10 ppm C 3 H % O % kcal/h (Heat Reaction) kcal/h (Heat Reaction) kcal/h (Heat Reaction) AIR kcal/h (Heat Transfer) kcal/h (Heat Transfer) kcal/h (Heat Add) kcal/h (Heat Less) kcal/h (Heat Less) HYGen I HHV = 76% HHV = 76% 600°C Temperature:600°C 330°C Temperature:330°C 120°C Temperature:120°C Istituto di Tecnologie Avanzate per lEnergia Nicola Giordano Expected Heat and Mass Balance HYGen I – ITAEs HYdrogen Generator

49 Consiglio Nazionale delle Ricerche Istituto di Tecnologie Avanzate per lEnergia Nicola Giordano Size Net Size (mm) Width:870 Length:880 Height:970 Width:970 Length:1050 Height:1160 Gross Size (mm) HYGen I – ITAEs HYdrogen Generator

50 Consiglio Nazionale delle Ricerche Istituto di Tecnologie Avanzate per lEnergia Nicola Giordano Panel Control HYGen I – ITAEs HYdrogen Generator

51 Consiglio Nazionale delle Ricerche Istituto di Tecnologie Avanzate per lEnergia Nicola Giordano Feed and Testing HYGen I – ITAEs HYdrogen Generator

52 Consiglio Nazionale delle Ricerche Istituto di Tecnologie Avanzate per lEnergia Nicola Giordano Out to Vent and to PEFC Stack HYGen I – ITAEs HYdrogen Generator

53 Consiglio Nazionale delle Ricerche Istituto di Tecnologie Avanzate per lEnergia Nicola Giordano Conceptual Design and Picture Istituto di Tecnologie Avanzate per lEnergia Nicola Giordano HYGen I – ITAEs HYdrogen Generator

54 Consiglio Nazionale delle Ricerche Istituto di Tecnologie Avanzate per lEnergia Nicola Giordano ATR Reactor: inlet & outlet gas Gas out Gas in HYGen I – ITAEs HYdrogen Generator

55 Consiglio Nazionale delle Ricerche Istituto di Tecnologie Avanzate per lEnergia Nicola Giordano ATR Reactor Internal Volume:ca l Weight:ca. 7.0 kg HYGen I – ITAEs HYdrogen Generator

56 Consiglio Nazionale delle Ricerche Istituto di Tecnologie Avanzate per lEnergia Nicola Giordano ATR Reactor ITAEs Proprietary ITAEs Proprietary catalyst catalyst Micro-scale Tests HYGen I – ITAEs HYdrogen Generator

57 Consiglio Nazionale delle Ricerche Istituto di Tecnologie Avanzate per lEnergia Nicola Giordano Heat Exchanger Plates in Shell Internal Volume:4,3 l Weight (dry):ca. 22,6 kg Internal Volume:9,3 l Weight (dry):ca. 32,9 kg HYGen I – ITAEs HYdrogen Generator

58 Consiglio Nazionale delle Ricerche Istituto di Tecnologie Avanzate per lEnergia Nicola Giordano Water Reservoir Weight (dry):ca. 24,7 kg Water capability:ca. 22,0 l HYGen I – ITAEs HYdrogen Generator

59 Consiglio Nazionale delle Ricerche Istituto di Tecnologie Avanzate per lEnergia Nicola Giordano Phase II Take off superior panel Take off superior panel Phase III Take off lateral panels Open box Field Point System Open anterior panel Accessibility for Maintenance Work Phase I HYGen I – ITAEs HYdrogen Generator

60 Consiglio Nazionale delle Ricerche Istituto di Tecnologie Avanzate per lEnergia Nicola Giordano Femlab Chemical Process Simulation: Objectives Reagents and products Concentration Profiles in the reactors Temperature Profiles in the reactors Pressure Profiles and Velocity Distribution in the reactors Mass balances Energy balances Momentum balances HYGen I – ITAEs HYdrogen Generator

61 Consiglio Nazionale delle Ricerche Istituto di Tecnologie Avanzate per lEnergia Nicola Giordano Mathematic Modeling Model Implementation Solve coupled systems of nonlinear Partial Differential Equations through the Finite Element Methods (FEM) Experimental Validating Parametric Analysis Termochemical Reactions Analysis Kinetics Reactions Analysis Femlab Chemical Process Simulation: Steps HYGen I – ITAEs HYdrogen Generator

62 Consiglio Nazionale delle Ricerche Istituto di Tecnologie Avanzate per lEnergia Nicola Giordano Develop Dedicated Software using LabVIEW Integration of the system with the measurement Hardware Data Acquisition and Instruments Control Results Elaboration Develop Flow-chart of the process phases Definition Control Panels Develop Architecture Software Experimental Study: Steps HYGen I – ITAEs HYdrogen Generator

63 Consiglio Nazionale delle Ricerche Istituto di Tecnologie Avanzate per lEnergia Nicola Giordano LabVIEW System: Data acquisition And Instruments Control HYGen I – ITAEs HYdrogen Generator

64 Consiglio Nazionale delle Ricerche Istituto di Tecnologie Avanzate per lEnergia Nicola Giordano Dedicated Software: Main Panel – Individual order HYGen I – ITAEs HYdrogen Generator

65 Consiglio Nazionale delle Ricerche Istituto di Tecnologie Avanzate per lEnergia Nicola Giordano Dedicated Software: Electrovalves Panel-System HYGen I – ITAEs HYdrogen Generator

66 Consiglio Nazionale delle Ricerche Istituto di Tecnologie Avanzate per lEnergia Nicola Giordano Safety Levels Protection Devices Safety Devices Control Devices Allow to read temperature and pressure Active when the controlled parameter reach a limit value Activated by controlled fluid and allow to maintain temperature and pressure in the fixed range Active Control Passive Control Safety valve Gas Sensor Manometer Monitor Electrovalves Pressure Temperature Pressure Backfire Pressure Temperature Manostat Pressure HYGen I – ITAEs HYdrogen Generator

67 Consiglio Nazionale delle Ricerche Istituto di Tecnologie Avanzate per lEnergia Nicola Giordano Combustibili 2. Processi di reforming 3. CO clean-up 4. Stato dellarte 5. HYGen I – ITAEs HYdrogen Generator Prototype 7. Conclusioni 8. Steam Reforming (SR) Partial Oxidation (POX) Autothermal Reforming (AR) Sommario 1. Introduzione Programmi internazionali e nazionali 6.

68 Consiglio Nazionale delle Ricerche Istituto di Tecnologie Avanzate per lEnergia Nicola Giordano Combustibili/Infrastrutture Economia Avanzamenti tecnici Normative Sicurezza Educazione Conclusioni H2H2 Riduzione dei costi Investimenti mirati

69 Consiglio Nazionale delle Ricerche Istituto di Tecnologie Avanzate per lEnergia Nicola Giordano Francesco Cipitì Research Engineer Telefono: Telefono: Fax: Fax: Contatti H2H2


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