Sviluppo di sistemi APU per applicazioni stazionarie e mobili: i progetti Celco-YACHT e Micro-CHP Guido Saracco Dipartimento di Scienza dei Materiali ed Ingegneria Chimica Politecnico di Torino Torino

Auxiliary Power Unit per applicazioni “mobili” SISTEMA DI RAFFREDDAMENTO ACQUA COMBUSTIBILE REFORMER STACK Nello stack avviene la reazione tra idrogeno ed ossigeno che produce energia elettrica, vapore acqueo e calore. H2 + CO2 ENERGIA ELETTRICA UTENZE ELETTRICHE CONDIZIONAMENTO, LUCI, SISTEMI DI CONTROLLO,… ARIA COMPRESSORE ARIA BATTERIA AUSILIARIA

Sistema di cogenerazione Auxiliary Power Unit per applicazioni “stazionarie” UNITA’ MICRO-COGENERATIVA per applicazioni residenziali  Energia Termica + Energia Elettrica Vaillant-Plug Power Sistema di cogenerazione 4.6 kWel + 7 kWth

Campi di applicazione dei principali tipi di Fuel Cells Celle a combustibile: applicazioni Applicazioni Sistemi elettronici portabili Generazione energia mobile e stazionaria Auto navi Generazione distribuita di potenza POTENZA [W] 1 10 100 1k 10k 100k 1M 10M Maggiore densità di energia rispetto alle batteria Ricarica più veloce Campi di potenze di interesse per APU di piccola taglia Potenzialità per zero emissioni, maggiore efficienza Maggiore efficienza Minori emissioni silenziosità Vantaggi PEMFC PAFC SOFC AFC MCFC DMFC Campi di applicazione dei principali tipi di Fuel Cells

CnHm + nH2O = nCO + (n+m/2)H2 Sistemi di produzione d’idrogeno da idrocarburi Steam Reforming (SR) CnHm + nH2O = nCO + (n+m/2)H2 Reazione con acqua, endotermica, trasferimento di calore indiretto, bassa temperatura, alta efficienza. Studi in corso su gas naturale e benzina (unità micro-CHP e autoveicoli) CnHm + n1/2O2 = n CO + m/2 H2 Reazione con ossigeno, esotermica, alta temperatura, rapido startup, compatto. Studi in corso su gas naturale e GPL (unità micro-CHP e autoveicoli) Ossidazione Parziale Catalitica (CPO) CnHmOp + x(O2+3.76N2) + (2n–2x–p)H2O = nCO2 + (2n-2x-p+m/2)H2 + 3.76xN2 Combina steam reforming ed ossidazione parziale, no riscaldamento no raffreddamento extra. Studi in corso su benzina e biodiesel (per autoveicoli) Reforming Autotermico (ATR) CnH2n+2 = nC + (n+1)H2 Reazione endotermica di rottura delle molecole per azione dell’alta temperatura, alta efficienza. Studi in corso su benzina e biodiesel (per autoveicoli) Cracking termico (TC)

Stato della tecnologia Reformers commerciali SOCIETÀ CARBURANTE REFORMING Stato della tecnologia (capacità max) Nuvera Gas naturale POX 50 kW Hydrogen Burner Technology (HBT) 50 kW (1.1 kW/l) Analytic Power Multi-fuel ATR Johnson Mattey Metanolo, GPL, metano Haldor Topsoe Metanolo SR Los Alomos National Laboratory 10-50 kW Energy Partners Metano Dais-Analytic Corporation Innovatek Gasoline-Diesel 1kW IFC IdaTech Innovatek, Inc. (1 kW) Epyx Corporation/ Nuvera fuel cell (50 kW)

CnHm + nH2O = nCO + (n+m/2)H2 Scelta di riferimento in MicroCHP Steam Reforming (SR) Reazione con acqua, endotermica, trasferimento di calore indiretto (necessità di scambiatori di calore), bassa temperatura, alta efficienza. CnHm + nH2O = nCO + (n+m/2)H2 Air Water HTWGS S -TRAP LTW GS CO PROX REF Burner After Isooctane Heat Exch. 04 Steam Gen. exhaust Scelta di riferimento in MicroCHP

Catalytic packed bed reactor Ossidazione Parziale Catalitica (CPO) Reazione con ossigeno sottostechiomentrico, esotermica, alta temperatura, rapido start-up; reattori molto compatti. Catalytic packed bed reactor CnHm + n1/2O2 = n CO + m/2 H2 Possibile alternativa in MicroCHP

Scelta di riferimento in Celco YACHT Reforming Autotermico (ATR) Combina steam reforming ed ossidazione parziale, no riscaldamento no raffreddamento extra. Reattori estremamente compatti. CnHmOp + x(O2+3.76N2) + (2n–2x–p)H2O = nCO2 + (2n-2x-p+m/2)H2 + 3.76xN2 ATR 700°C PROX 150°C HTS 400°C Diesel oil feed Air Steam Fuel cell afterburner Condensate recovery PEMFC 80°C LTS 240°C Water Humidi- fier DC power Flue gas Exhaust air Per gentile concessione dell’ Institut für Mikrotechnik Mainz GmbH Scelta di riferimento in Celco YACHT

Possibile alternativa in MicroCHP Cracking Termico (TC) Reazione endotermica di rottura delle molecole per azione dell’alta temperatura, alta efficienza. Necessaria la rigenerazione dei reattori di cracking. CnH2n+2 = nC + (n+1)H2 Possibile alternativa in MicroCHP Per gentile concessione della Univertät Duisburg-Essen

MICRO-CHP Partners Target Durata Valore Aree di eccellenza Ruolo POLITO Environment Park – HY_SY_LAB, Merloni Termo Sanitari, Arcotronics Fuel Cells, HySyTECH, IREM, Politecnico di Torino Sviluppo di un’unità CHP (Combined Heat and Power generation) per applicazioni domestiche plurifamiliari e piccole utenze del terziario (alberghi, ristoranti, uffici…) basata sulla combinazione di uno steam reformer di metano e di uno stack di celle a combustibile polimeriche. L’unità CHP deve essere in grado di erogare 4 kW di potenza elettrica con modulazione 1-4 kW e deve essere modulabile nel range 4-24 kW per quanto riguarda la potenza termica. Imgombro: L x P x H = 600 x 1400 x 900 mm; peso  300 kg 48 mesi 3 milioni di € Fuel processorcompatti basati sullo steam reforming di gas naturale, componenti compatti, analisi RAMS (Reliability, Availability, Maintainability & Safety) e LCA (Life Cycle Assessment) Sviluppo catalizzatori (reforming da benzina, CO clean-up), modellazione di sistema e componente, Power conditioning, Analisi RAMS

Schema impianto cogenerativo a due zone MICRO-CHP Schema impianto cogenerativo a due zone

Diagramma Pert del Progetto

CELCO-YACHT Partners Target Durata Valore Aree di eccellenza Ruolo POLITO Environment Park – HY_SY_LAB, Azimut Benetti, Arcotronics Fuel Cells, HySyTECH, IREM, Politecnico di Torino Studio, realizzazione e validazione di uno strumento per la sperimentazione di una unità di generazione APU (Auxiliary Power Unit) con potenza di 15 kW basato sulla soluzione a Fuel Cell che possa trovare applicazione futura su una imbarcazione. Studio di fattibilità di un sistema basato su Fuel Cell per la generazione di potenze nel range 600-1000 kW e destinato ad alimentare la propulsione principale di imbarcazioni da diporto fino a 18m. 48 mesi 3,5 milioni di € Fuel processor, componenti compatti, analisi RAMS (Reliability, Availability, Maintainability & Safety) e LCA (Life Cycle Assessment) Sviluppo catalizzatori (reforming da benzina, CO clean-up), modellazione di sistema e componente, Power conditioning, Analisi RAMS, sviluppo architettura del sistema

Diagramma Pert del Progetto

Grazie per l’attenzione! Guido.Saracco@polito.it Coordinatore progetti: Francesco.Profumo@polito.it Responsabile scientifico: Vito.Specchia@polito.it Politecnico di Torino Dipartimento di Scienza dei Materiali ed Ingegneria Chimica Corso Duca degli Abruzzi, 24 10129 Torino