Sviluppo di sistemi APU per applicazioni stazionarie e mobili: i progetti Celco-YACHT e Micro-CHP

1. 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

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

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

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

5. 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) 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) 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) Sistemi di produzione d’idrogeno da idrocarburi • Steam Reforming (SR) • Ossidazione Parziale Catalitica (CPO) • Reforming Autotermico (ATR) • Cracking termico (TC)

6. Reformers commerciali Innovatek, Inc. (1 kW) Epyx Corporation/ Nuvera fuel cell (50 kW)

7. Isooctane REF HTWGS S -TRAP LTW GS CO PROX Burner Steam Gen. Air exhaust Water After Burner Heat Exch. 04 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 Scelta di riferimento in MicroCHP

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

9. Diesel oil feed ATR 700°C HTS 400°C PROX 150°C LTS 240°C Air Steam Air Water PEMFC 80°C Condensate recovery Fuel cell afterburner Flue gas Humidi- fier Air Exhaust air DC power 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 Per gentile concessione dell’ Institut für Mikrotechnik Mainz GmbH Scelta di riferimento in Celco YACHT

10. 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

11. 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

12. MICRO-CHP Schema impianto cogenerativo a due zone

13. Diagramma Pert del Progetto

14. 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

15. Diagramma Pert del Progetto

16. 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