Il WP H2FC del progetto GEN21 della Ricerca di Sistema (RdS), dal titolo "La generazione di energia elettrica mediante fuel cells", ha come obiettivi generali la valutazione e la dimostrazione delle potenzialità delle pile a combustibile ai fini della generazione di energia elettrica, in particolare di tipo distribuito. Nell’ambito del WP, un obiettivo specifico è la valutazione delle potenzialità e delle prestazioni energetiche della tecnologia MCFC accoppiata a turbogas (ed in particolare a microturbine) in configurazioni impiantistiche di taglia significativa (da 1 MW in su). Ciò al fine soprattutto di individuare eventuali criticità tecniche ed economiche correlate con l’impiego di pile a carbonati fusi in impianti di generazione distribuita, e con lo scale-up degli impianti stessi partendo dalle tecnologie attualmente disponibili. Nello studio qui descritto, effettuato in collaborazione con AFCo (Ansaldo Fuel Cell Co), sono state anzitutto identificate le configurazioni idonee per la realizzazione di impianti MultiMW, con la scelta della taglia ritenuta ottimale per una prima possibile applicazione. Facendo esplicito riferimento alla tecnologia disponibile (presso AFCo), si è appurato che un sistema basato su moduli di pile a combustibile da 500 kW (in configurazione cosiddetta twin-stack, cioè costituita da 4 stack da 125 kW), dotato di un reformer integrato di gas naturale (Modular Integrated Reformer o MIR) può costituire il modulo base unitario idoneo a consentire uno sviluppo modulare dell’impianto partendo dalla taglia di prima applicazione. L’unità base risulta pertanto costituita da un serbatoio di contenimento resistente a pressione nel quale sono alloggiati le pile MCFC in configurazione twin-stack, 2 MIR e due soffianti per il ricircolo dei gas catodici. La taglia di prima applicazione dell’impianto è stata individuata in 1 MW e , ottenuta supponendo di replicare il modulo base con alimentazione a gas naturale. L’impianto presenta le seguenti caratteristiche principali: – configurazione modulare per quanto riguarda il sistema MCFC, che è costituito da quattro Twin- stack in una configurazione che ripete due moduli (cioè con 2 vessels) dei sistemi già sperimentati da AFCo per gli impianti 2TW (da 500 MWe); i singoli stack sono accoppiati in configurazione twin-stack, (TW da 250kW) e ad ogni TW è collegato un MIR; – utilizzo di un’unica microturbina commerciale, opportunamente modificata, che alimenta in parallelo entrambe i moduli MCFC; si deve considerare a tal proposito che in questa prima fase di studio di applicazioni multimegawatt è opportuno tentare di evitare l’impatto economico che

avrebbero lo studio e la progettazione di un turbina ad hoc da integrare ai moduli MCFC, ricorrendo invece all’adattamento di macchine già esistenti; – possibilità di effettuare lo scale-up semplicemente replicando l’impianto da 1 MW per quanto riguarda i sistemi principali (pile a combustibile, sistema aria di processo, ecc.) e ridimensionando opportunamente, in funzione della potenza di impianto scelta, i sistemi ausiliari. In merito alla definizione del sistema di alimentazione dell’aria di processo alle pile, ed in particolare alla scelta della microturbina da accoppiare ai moduli MCFC, aspetto cruciale dello studio dell’impianto da 1MW, AFCo ritiene che sia stata individuata una macchina commerciale (TURBEC) che, con alcuni adattamenti, dovrebbe risultare idonea a soddisfare i requisiti dell’impianto. Nello studio sono state comunque considerate anche altre diverse soluzioni e configurazioni basate su macchine diverse, tra cui anche una soluzione basata su macchine progettate ad hoc. Le prestazioni energetiche dell’impianto conforme con quanto esposto sono state valutate nello studio di AFCo mediante simulazione (con il codice commerciale ASPEN PLUS) sia in condizioni nominali, sia in condizioni di carico parziale. Si è evidenziato in tal modo che (con alcune ipotesi semplificative quali assenza di dispersioni termiche e rendimento di turbina costante), l’efficienza elettrica delle pile è praticamente costante (e pari a circa 43%) al variare del carico delle stesse dal 100 % al 25 %, mentre l’efficienza elettrica globale di impianto varia dal 53% (al 100% di carico) a 49.5% (al 25% di carico). Introducendo nel modello sia le dissipazioni termiche che efficienze di turbina variabili con il carico, i risultati evidenziano invece un’efficienza elettrica delle pile solo un poco minore (circa 42%) e leggermente crescente al variare del carico, ma una efficienza elettrica globale dell’impianto che cala notevolmente con la riduzione del carico passando da 53% a 41% al 25% del carico. Le simulazioni effettuate dal CESI (con il codice THERMOFLEX) considerando l’integrazione dei moduli MCFC con diverse tipologie di turbomacchine evidenziano invece che l’efficienza elettrica dell’impianto raggiunge il suo massimo (pari a circa 54 % e quindi in accordo col dato AFCo), nel caso ipotetico in cui l’isola MCFC sia accoppiata con macchine ad hoc (compressore ad azionamento elettrico e turbina separata). Segue quindi, in termini di miglior efficienza, il caso in cui la medesima isola è accoppiata con 4 microturbine Bowman B60 in parallelo, con un rendimento elettrico complessivo pari a circa 51 % al carico nominale, ed infine il caso relativo all’impiego di un unico turbogas P&W, con un rendimento ancora pari a circa 51 %. Si può constatare come tutte le configurazioni basate su macchine commerciali paghino in modo rilevante i limiti e le difficoltà di accoppiamento tra compressore e turbina del gruppo TG, e tra TG ed impianto di generazione MCFC, che costringono o a ridurre le velocità di rotazione del TG, o ad aumentare il numero dei TG (da porre in parallelo), oppure al limite, nel caso di funzionamento a carico parziale, a bypassare una parte dell’aria prodotta in eccesso dal compressore. Alla luce anche di queste considerazioni, i risultati sopra riportati, ottenuti dalle simulazioni effettuate da

AFCo sulla base delle indicazioni ricevute dal costruttore di TG TURBEC, che evidenziano un rendimento pari a circa 53 % per l’impianto da 1 MW basato su una turbina (da 600 kW e ) opportunamente adattata, sono sostanzialmente coerenti con le simulazioni indipendenti effettuate dal CESI; va peraltro segnalato che l’adattamento della citata turbina TURBEC alle condizioni di funzionamento richieste presuppone una attività di sviluppo caratterizzata da oneri e rischi tecnici presumibilmente non trascurabili. Per quanto riguarda infine le simulazioni eseguite per lo scale-up di impianto a circa 10 MW e , si evidenzia che l’efficienza globale al carico nominale non si discosta significativamente (a parità di ipotesi) da quella ottenuta per gli impianti di taglia inferiore (50 % circa). Ciò significa che lo scale-up non comporta di per sé benefici apprezzabili sul piano energetico, mentre è presumibile che ne possa comportare in termini economici, sia per i costi di investimento che per quelli di gestione. L’analisi ai carichi ridotti (75 %, 50 % e 25 %) di questo impianto evidenzia infine che l’efficienza elettrica globale si riduce da circa 50 % a circa 32 % nel caso in cui il vapore prodotto in eccesso sia espanso nel TG, e da circa 51 % a circa 34 % nel caso in cui il vapore sia inviato ad una apposita turbina a vapore. Le conclusioni sintetiche del lavoro svolto sono che è possibile, sulla base della tecnologia MCFC attualmente disponibile, passare dalla taglia impiantistica di 500 kW già sperimentata alla taglia di 1 MW e . L’impianto da 1 MW e può inoltre essere visto come una possibile unità base per l’estensione al campo multiMW della potenza degli impianti MCFC destinati alla generazione elettrica distribuita. Sia il passaggio da 500 kW a 1 MW, sia a maggior ragione quello a taglie multiMW richiede, ai fini dell’accoppiamento tra pile MCFC e sistema di alimentazione aria e recupero energetico dagli esausti delle stesse, significativi interventi di adattamento delle turbomacchine commerciali o (in prospettiva) lo sviluppo di macchine ad hoc. Non si prevedono invece particolari difficoltà né per quanto riguarda il BoP e gli altri sottosistemi dell’impianto, né per quanto riguarda il condizionamento della potenza prodotta ed il convogliamento della stessa nella rete.