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rapporti - Deliverable

6.3.1.6a – Studi e valutazioni sperimentali per il superamento delle criticità tecniche ed economiche correlate all’impiego di celle a carbonati fusi in sistemi di generazione distribuita, anche alla luce delle sperimentazioni presenti in ambito nazionale

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6.3.1.6a – Studi e valutazioni sperimentali per il superamento delle criticità tecniche ed economiche correlate all’impiego di celle a carbonati fusi in sistemi di generazione distribuita, anche alla luce delle sperimentazioni presenti in ambito nazionale

In questo rapporto sono presentati e discussi i risultati ottenuti nella Milestone 6.3.1.6 del Progetto Generazione 21. Attraverso attività di studio e ad azioni sperimentali specifiche, viene fornito un quadro completo sull’attuale grado di rimozione di alcune criticità della tecnologia di cella a combustibile a carbonati fusi (MCFC) e su come le soluzioni adottate si ripercuotono sui costi e sulle caratteristiche dell’impianto, con particolare riferimento all’impiego in sistemi di generazione distribuita. Viene innanzitutto individuato nella realtà tariffaria italiana quello che potrebbe essere il costo obiettivo di un impianto cogenerativo MCFC, da raggiungere per essere economicamente conveniente (Cap. 2 e 3). Le modalità operative di una cella MCFC ne impongono l’uso prevalentemente per soddisfare la domanda di base di elettricità e calore. Si è scelto di far riferimento ad un modulo da 200 kW elettrici con le caratteristiche tecniche dell’Hot Module HM300 sviluppato da MTU FC Solutions, con tecnologia di cella Fuel Cell Energy. Questo modulo è stato infatti già prodotto in piccola serie e diversi esemplari sono in corso di sperimentazione presso utenze reali (siti industriali, terziario avanzato, ospedali, ..). I dati tecnici comunicati da MTU nel corso di presentazioni a recenti convegni internazionali sono stati introdotti nel modello sviluppato al CESI, unitamente ai profili di carico tipici di un’utenza costituita da un complesso di uffici. Gli obiettivi minimi di costo per la convenienza economica dell’installazione di un sistema cogenerativo di questo tipo sono stati così stimati pari a circa 1000 €/kW el per una durata di vita utile di impianto di 40000 ore. Poiché fino ad ora un solo impianto ha raggiunto e superato le 20000 ore di esercizio, si è deciso di considerare nella valutazione economica anche il caso in cui il modulo elettrochimico debba essere sostituito una volta nell’arco della vita utile dell’impianto. In questo caso, assumendo un costo del modulo elettrochimico pari a circa un terzo del costo dell’intero impianto, la soglia di convenienza economica si abbassa a circa 800 €/kW el . Va sottolineato che gli incentivi previsti per le celle a combustibile dalla legge n. 239 del 23/8/2004 (Decreto Marzano) modificheranno in modo significativo queste soglie di convenienza economica. Si è deciso comunque di non considerarne l’impatto in questa valutazione, essenzialmente per due motivi: i) i necessari decreti attuativi non sono stati ancora realizzati; ii) questo tipo di incentivazione può essere utile nell’immediato per introdurre e diffondere una nuova tecnologia, ma non può essere mantenuta indefinitamente. Nell’allegato al presente rapporto si affrontano quindi in dettaglio tre problematiche della tecnologia MCFC: i) la semplificazione del ciclo di condizionamento della cella a combustibile; ii) nuove soluzioni contro la corrosione dei componenti metallici ripetitivi di stack; iii) la corretta protezione contro l’avvelenamento da zolfo.

In Allegato sono riportati i risultati di uno studio approfondito, effettuato da AFCo. Sulla base di indagini sui brevetti e sulla letteratura, e di informazioni proprietarie, AFCo fornisce un quadro completo degli aspetti critici del condizionamento di stack, della corrosione delle parti metalliche e della protezione da inquinanti solforati presenti nei gas di processo. Dalle informazioni disponibili vengono dedotte le strategie seguite dai differenti costruttori per superare queste criticità e vengono analizzate le conseguenze sui costi e sulle caratteristiche degli impianti fin qui realizzati. Sono state innanzitutto ricostruite, attraverso gli elementi noti e accessibili, le diverse soluzioni adottate per il condizionamento di stack dai principali sviluppatori di celle a combustibile a carbonati fusi (FCE, MTU- Eurocell, GenCell, IHI, KIST). Sono stati analizzati i traguardi raggiunti, per tentare poi di estrapolare i limiti tecnico – economici. Vengono individuate alcune opzioni alternative per la struttura di cella e/o per lo schema di fabbricazione, allo scopo di ridurre i costi del "condizionamento", e ne vengono valutate le prospettive, anche sulla base dei risultati delle azioni sperimentali in corso. La sperimentazione, conclusasi con successo, di un ciclo di condizionamento innovativo caratterizzato da un minor consumo di gas tecnici, è stato l’obbiettivo di una specifica Milestone del progetto Generazione 21 (Milestone 6.3.1.4, Rapporto CESI A5029086). L’analisi dei nodi tecnico economici legati alla corrosione dei componenti metallici ripetitivi fa il punto sui limiti delle soluzioni standard, sulle sperimentazioni in corso su nuovi materiali per il collettore di corrente anodico e per proteggere il piatto separatore, e sul nesso con le azioni per tenere stabile la composizione dell’elettrolita nel tempo, per approdare infine a una riformulazione aggiornata degli obbiettivi di durata e costo dello stack. L’ultima parte di questo studio intende quantificare la criticità del requisito di abbattimento dei composti solforati presenti nei gas di alimentazione e confrontare le soluzioni fin qui adottate dai vari costruttori. Si cerca in particolare di determinare l’impatto sulle prestazioni dell’accumulo di zolfo nella cella, e segnatamente di stabilire il limite sull’accumulo complessivo ammesso, la punta ammissibile in ingresso combustibile come transitorio di breve periodo, ed i limiti nel caso di applicazioni senza ricircolo dell’anidride carbonica al catodo (es. alimentazione del catodo con fumi). Nella presente Milestone sono state anche previste azioni sperimentali mirate allo studio dei processi di avvelenamento da composti solforati. Sono in corso al CESI alcune prove su monocelle da laboratorio alimentate con gas opportunamente inquinati. I risultati saranno presentati in un successivo documento tecnico.

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