Tri-generation plant based on SOFC for dynamic hydrogen production

Il concetto di tri-generazione sulle celle a combustibile ad alta temperatura (HTFC) è una delle soluzioni più interessanti per convertire in modo efficiente una varietà di combustibili in energia elettrica, calore e idrogeno su scala distribuita. In questo lavoro, viene proposta l'eccezionale prestazione di una cella a combustibile a ossidi solidi (SOFC) operata in modo tri-generativo, mostrando l'effetto sinergico nell'avere una maggiore efficienza elettrica, un minor raffreddamento richiesto dalla cella e un terzo prodotto utile (idrogeno), quando la cella a combustibile lavora a bassi fattore di utilizzo del combustibile. Questo studio rappresenta una sorta di collegamento tra DEMOSOFC, uno dei più importanti progetti europei riguardanti l'installazione di moduli SOFC che utilizzano biogas come combustibile in un impianto di trattamento delle acque reflue (WWTP), e il primo esempio al mondo di un impianto di tri-generazione basato sulla cella a combustibile a carbonati fusi (MCFC) installata nel distretto sanitario di Orange County (OCSD). Lo scopo di questo studio consisteva nel comprendere il comportamento stazionario e dinamico dei moduli SOFC in una configurazione di impianto tri-generativo, con la stessa taglia nominale del vero impianto DEMOSOFC (58kW), spiegando le differenze rispetto al caso cogenerativo. È stata effettuata un'analisi di sensibilità su diverse variabili che influenzano le prestazioni della cella, evidenziando un interessante punto di lavoro vicino alla condizione termoneutrale della SOFC. Una volta illustrati i risultati dello stato stazionario della cella, sono state presentate e giustificate anche le condizioni di design dell'impianto lavorando ad un fattore di utilizzo del 60%, mostrando una produzione di circa 1,06 kg / h di idrogeno per ciascun modulo all'uscita dell'Hydrogen Separation Unit (HSU). Un altro obiettivo dello studio era dimostrare il funzionamento dinamico della SOFC che può essere controllata al fine di limitare le sollecitazioni termiche e le fluttuazioni di temperatura dello strato Positive-Electrolyte-Negative (PEN) anche regolando la produzione dei tre prodotti. I risultati hanno mostrato una buona risposta della cella in due diverse operazioni dinamiche: variazioni del carico di potenza e variazione dell'utilizzo del combustibile. Utilizzando il Supplemental Input Method per il calcolo delle efficienze, il sistema ha dimostrato di poter produrre idrogeno con un'efficienza del 74,5%. Inoltre, è stato fornito un confronto con le tecnologie allo stato dell’arte in termini di risparmio di energia primaria (PES) dove il 16% del totale di energia in ingresso potrebbe essere risparmiata se si utilizzasse l'impianto di tri-generativo rispetto alle tecnologie convenzionali. Negli ultimi capitoli, viene presentato un ulteriore confronto con il caso MCFC in termini di resa di produzione di idrogeno e una descrizione finale sui suoi possibili usi e sulla possibilità di costruire un'infrastruttura distribuita con diverse installazioni nei WWTP.