Fuel Cell Applications

1. Università degli Studi di Perugia Dipartimento di Ingegneria A.A. 2013/2014 Fuel Cell Applications

2. Main Applications • Automotive • Power generation • CHP • CCS • Electrolysis

3. Il sistema FC Alcuni esempi di moduli FC – bassa temperatura Mark 1100 Mark 9SSL 4 kW 110 kW BALLARD POWER SYSTEMS 100kW 90 kW HONDA MOTORS TOYOTA 12 kW HYDROGENICS 120kW 85 kW 102 kW NUVERA FUEL CELLSAndromeda II GENERAL MOTORS UTC Power PureMotionTM120

4. Il sistema FC Veicoli a Celle a Combustibile (FCV)

5. Fonte: DaimlerChrysler Il sistema FC Veicoli a Celle a Combustibile (FCV) • Emissioni zero • Alta efficienza • Buone prestazioni di guida • Bassi costi di manutenzione paragonati ai motori a combustione interna • Vita dello stack • Stoccaggio a bordo dell’idrogeno • Infrastrutture di trasporto e distribuzione • Sicurezza e normativa

6. Il sistema FC Alcuni esempi di moduli FC – alta temperatura AIST JAPAN ANSALDO FUEL CELLS MTU ON-SITE (ex-CFC) ROLLS ROYCE CFCL BLUEGEN Module

7. Impianti AFCO: 500 kW system

8. Impianti …finoai multi-MW!

9. Oggi… La missione energetica globale • Quadro generale • Identikit delle risorse energetiche • Gas serra e riscaldamento globale • La generazione distribuita Dai rifiuti all’energia, dallo spreco all’efficienza • Biomasse (lignocellulosiche e umide) • Tecnologie di valorizzazione dei rifiuti

10. La missione energetica globale Sviluppo sostenibile “Sviluppo che assicura il soddisfacimento dei bisogni delle attuali generazioni senza compromettere la possibilità delle generazioni future di soddisfare i loro”. Rapporto Brundtland, Commissione delle Nazioni Unite per l’Ambiente e lo Sviluppo Globale -1987

11. Integrità ambientale Distribuzione equa La missione energetica globale Sicurezza, accessibilità alle risorse Competitività economica… Sistema energetico futuro

12. La missione energetica globale Popolazione mondiale, 1950-2050

13. La missione energetica globale Fonte: IEA – World Energy Outlook 2009

14. By Area By Source By Sector Le risorse energetiche Fonti: IEA World Energy Outlook 2007 Exxon Mobil MBDOE: Million of Barrels per Day; 1MBDOE = 50 Million ton/year

15. Le risorse energetiche Picco di produzione del petrolio

16. RISORSE FOSSILI Datiattuali Scenari IEA 2012 Nel 2011 + 30% di sussidi alle politiche convenzionali La domanda di petrolio continuerà ad aumentare anche nei Paesi Emergenti 6 volte quelli dedicati alle rinnovabili Compensa la diminuzione in area OCSE Diffusione tecniche innovative: light tight oile shale gas USA primi produttori di petrolio nel 2020 e autosufficienti nel 2035 Perforazione orizzontale e fratturazione idraulica: aumento della permeabilità Crescita dei consumi globali di gas naturale del +2.2% (2012)* Petrolio e gas naturale È probabile che sia fondamentale nella produzione per i paesi con riserve ingenti** Nel 2000-2010 il 50% dell’aumento di domanda di energia è stata coperta dal carbone Riserve per secoli allo sfruttamento attuale (fonte a basso costo) Crescita dei consumi globali di carbone del +5.4% (2012) USA, Russia, Cina, India e Australia Carbone *Area UE è l’unica zona che ha fatto registrare nell’ultimo anno (2012) una caduta dei consumi di gas naturale di quasi il 10% dovuto a fattori congiunturali economici. **Aumento della richiesta dipendente dal supporto delle tecnologie a basso impatto, dall’implementazione di tecnologie più o meno ad alta efficienza e dallo sviluppo della CCS.

17. CO2 COME GAS-SERRA 1. Evidenza dell’aumento della concentrazione della CO2 in atmosfera in epoca “industriale” (280 ppm) ad oggi (circa 395, gennaio 2013). • 2. Evidenza: • aumento della temperatura media globale • aumento medio dei mari • diminuzione ella copertura di neve 3. La correlazione tra aumento delle temperature medie mondiali e emissioni di origine antropica Correlazione tra la variazione delle temperatura media globale e concentrazione di CO2 Andamento della concentrazione in atmosfera della CO2 Evidenze dei cambiamenti climatici in atto

18. CO2 COME GAS-SERRA • La CO2 è il gas che fornisce il maggior contributo sull’effetto perché: • rappresenta la più grande emissione globale di origine antropica, intorno al 75%. • il tempo di residenza nell’atmosfera dell’ordine dei 300 anni, più un 25% che rimane per sempre; la vita media della CO2permette interazioni con l’ambiente su periodi dell’ordine di 30-35.000 anni • Le perturbazioni climatiche antropogeniche possono interferire con: • la dinamica climatica dei ghiacciai • la dinamica climatica dei clatrati di metano • la dinamica glaciale/interglaciale [15]. Incremento della frequenza e dell’intensitàdi fenomeni meteorologici violenti, in particolare nei paesi in via di sviluppo (il 95% di tali fenomeni dal 1970 al 2008). Si stima che un aumento medio di 1°C della temperatura globale provochi la riduzione del tasso di crescita di 1.3 % dei paesi in via di sviluppo.

19. Gas serra e riscaldamento globale

20. Gas serra e riscaldamento globale CO2 CH4 PROCESSI INDUSTRIALI 5 % ENERGIA 19 % ENERGIA 95 % RIFIUTI 35 % AGRICOLTURA 46 % N2O ENERGIA 19 % AGRICOLTURA 64 % PROCESSI INDUSTRIALI 17 %

21. Gas serra e riscaldamento globale CO2 assorbita da vegetazione mondiale Fonte: NASA Earth Observatory

22. Politiche Protocollo Kyoto: L’Italia ha assunto un impegno di riduzione delle emissioni di CO2 del 6.5% al 2008-2012 rispetto ai livelli del 1990. Emissioni globali di CO2in Italia Produzione nel 1990 555.15 MtonCO2 Occorre una riduzione di CO2 pari a 102.8 MtonCO2/anno

23. Politiche Obiettivi 20-20-20: L’Europa ha sancito (Renewable Energy Act, 2009) per il 2020: 20% riduzione delle emissioni di gas serra 20% di aumento dell’efficienza energetica 20% del consumo energetico da Fonti Rinnovabili raggiunto con: 32% dell’elettricità, 22% del calore e 8% di biocarburanti

24. AZIONI Crescita della temperatura limitata tra 2 ÷ 2.4°C * Raccomandazioni IPCC *studi recenti indicano un’accelerazione nei cambiamenti climatici per cui questo traguardo potrebbe rivelarsi già inadeguato. Nel 2050 -50% rispetto al 2000 di emissioni di CO2 IEA, BLUE MAP scenario per la CCS 2020: picco massimo di emissioni di CO2 Obiettivi 2050 Stato attuale Non ci sono significativi miglioramenti previsti nel breve periodo 450 ppm di CO2 nel 2050 16 progetti attivi, censiti a settembre 2012 Nel 2015 verrà catturato circa il 70% di CO2 di quanto richiesto dalla IEA al 2015 CCS contribuirà per il 19% alla riduzione CO2 * Scostamento serio dagli obiettivi del 2020 *Per confronto le rinnovabili è previsto contribuiscano per il 17% L’Europa sembra in ritardo sui prossimi traguardi intermedi a causa del maggior impegno della politica EU sul fronte delle rinnovabili.

25. Aumento dell’efficienza dei sistemi, con riduzione del consumo di combustibili fossili Espansione dell’impiego di fonti a basso o nullo contenuto di carbonio (Gas naturale, Fonti Rinnovabili) Separazione della CO2 prodotta nella trasformazione dei combustibili fossili e il confinamento della stessa Aumento del potenziale di assorbimento della CO2 da parte dell’ecosistema (piantare più alberi) Come ridurre le emissioni di CO2

26. La generazione distribuita Sistema centralizzato • Grosse quantità, grosse perdite • Flusso unidirezionale • Equilibrio precario Fonte primaria Trasferimento Raffinamento Sistema centralizzato Conversione Utilizzo

27. La generazione distribuita Sistema distribuito Fonte primaria Trasferimento Raffinamento Sistema centralizzato Conversione Utilizzo

28. La generazione distribuita Sistema distribuito • Fonti e produttività locali • Piccole quantità, grossa efficienza • Flusso reticolato • Equilibrio diffuso

29. La generazione distribuita Efficienza 35% Efficienza 32% Efficienza finale 4% Sistema centralizzato perdita 65% perdita 8% perdita 87% Efficienza 45% Efficienza finale 30% Sistema distribuito perdita 55% perdita 35%

30. La generazione distribuita 30

31. Altre considerazioni … FER = Fonti Energetiche Rinnovabili 250.000 nuovi occupati al 2020 in Italiasviluppando la produzione di elettricità da FERScenario di sviluppo GSE-IEFE Bocconi 2009

32. Fornire l’energia rinnovabile Riscaldamento: 72% coperto con Gas Naturale 13% con gasolio (in diminuzione) Acqua calda sanitaria (ACS): 70% Gas Naturale 25% Energia elettrica Consumi elettrici in forte aumento per diffusione del condizionamento D.Lgs. 311/2006: su impianti nuovi 50% ACS da FER Fonte: Politecnico Milano 32

33. Fornire l’energia rinnovabile Risorse energetiche Rinnovabili sono DILUITE Efficienza nella conversione deve essere ALTA per ottenerequantitativiutili di energia Consumo deve essere RIDOTTO Spreco deve essere BASSO

34. Celle ad alta temperatura Perché ad alta temperatura? • Cinetichedireazionepiùvelocicheeliminanoilbisognodimetallipreziosi come catalizzatori • Materialiutilizzatipiùtollerantiagliinquinantipresentinei gas dialimentazione • Diminuzionedellesovratensioni (attivazione, ohmica, concentrazione) • Maggiore flessibilitànell’usodicombustibili, con possibilitàdialimentare la celladirettamente con gas naturali o miscelediidrocarburileggerisenzastadiodireformingesterno del combustibile. • Possibilitàdi co-generare a temperature d’interesseindustriale. Si ottienecalore ad altaqualitàche: • Alimentaprocessodireforming • Potenzialità per un “bottoming cycle”

35. Celle ad alta temperatura • Phosphoric Acid FC (180 < T < 210°C; 32 < ηel< 38%) • Tecnologiamatura • Elettrolitaeconomico • Buonaaffidabilità • Molten Carbonate FC (600 < T < 650°C; 45 < ηel< 55%) • Alta efficienza • Utilizzacompostidicarbonio • Non necessitadicatalizzatorinobili • Produce calore ad altatemperatura • Tecnologia quasi matura • Solid Oxide FC (700 < T < 900°C; 50 < ηel< 60%) • Sfruttacompostidi C • Non necessitadicatalizzatorinobili • Produce calore ad altatemperatura • Piùaltadensitàdicorrenteedefficienza • Elettrolitasolido e inerte

36. Celle ad alta temperatura • Phosphoric Acid FC (180 < T < 210°C; 35 < ηel< 40%) • Necessitàdicatalizzatoridiplatino • Bassissimatolleranza a CO e compostidi S • Elettrolitamoltocorrosivo • Bassadensitàdicorrente e potenza • Molten Carbonate FC (600 < T < 650°C; 45 < ηel< 55%) • Elettrolitacorrosivo e volatile • Degradodeicomponenti • Costo alto deicomponenti e dellafabbricazione • Fasediavviolenta • Solid Oxide FC (700 < T < 900°C; 50 < ηel< 60%) • Problemidimaterialeall’altatemperaturaoperativa • Fragilitàcomponenticeramici in operazioneciclica • Problemidicontenimento • Costo alto deicomponenti e dellafabbricazione

37. 10 W 100 W 1 kW 10 kW Campi di applicazione Spazio, Trasporti, applicazioni non stazionarie (PEFC, DMFC) 50 < Tcella< 125 oC Applicazionistazionarie ( PAFC, SOFC, MCFC) 150 < Tcella< 1000 oC Applicazioniportatili ( DMFC, DBFC) Tcella< 50 oC

38. Principio di funzionamento nelle MCFC H2 Anodo Elettrolita Catodo O2 CO2

39. Principio di funzionamento nelle MCFC Anodo H2 Q Elettrolita Catodo H2O O2 CO3= CO2 CO2

40. Reazioni chimiche Temperatura 650 °C Anodo H2 + CO3= → H2O + CO2 + 2 e- Catodo 1/2 O2 + CO2 + 2 e- → CO3= Acqua prodotta all’anodo CO2necessario al catodo

41. Principio di funzionamento Temperatura 650 °C Anodo H2 + CO3= → H2O + CO2 + 2 e- Catodo 1/2 O2 + CO2 + 2 e- → CO3= CO2necessario al catodo • Fornire CO2 da fonte alternativa • Produrre CO2 da combustione flusso anodico in uscita • Trasferire CO2 da uscita anodo al catodo

42. Principio di funzionamento Anodo H2 + CO3= → H2O + CO2 + 2 e- Catodo 1/2 O2 + CO2 + 2 e- → CO3= Temperatura 650 °C • CO è combustibile: • combinazione con acqua: • CO + H2O → H2 + CO2 • (water-gas-shift) • ossidazioneelettrochimicadiretta: • CO + CO3= → 2 CO2 + 2 e-

43. MCFC ideale per generazione di elettricità verde Alta efficienza di conversione energia chimica in energia elettrica, utilizzo di CO e CO2, emissioni pulite

44. MCFC ideale per la separazione e il confinamento della CO2 aria combustibile Recupero della CO2 con una MCFC a valle di un impianto di generazione di potenza convenzionale Separazione della CO2 (30-40%) e- uscita catodica CO2 sequestrata uscita anodica impianto di generazione di potenza H2O trattamento gas e liquefazione CO2 Gas di scarico: N2, H2O, CO2 Ricordate! la CO2 si muove attraverso la cella come ione CO32- CO32- H2, gas naturale, … CO2 O2 aria H2O condensata uscita anodica: flusso di gas concentrato di CO2 CO2 H2 MCFC elettrolita uscita catodica: N2, H2O ingresso ingresso Potenza generata anodo catodo

45. Cattura della CO2 • richiesta di energia; • metodo post-comb • unico realmente • fattibile; • applicabile ad • impianti funzionanti •  retrofit [ Abass A. Olajire, 2010 ]

46. Cattura della CO2 con FuelCells • Settore “mobile” (DMFC): • contributo inutile • Settore trasporti (PEFC): • vantaggi dipendenti dal metodo • di produzione dell’ H2 • Settore di Produzione Energia: • applicazioni alla generazione • distribuita con MCFC/SOFC n.b. in questa pubblicazione sono analizzati sistemi ibridi FC-TAG con altro separatore di CO2 a valle, la FC non è utilizzata come concentratore di CO2 end of pipe [ Jung-HoWee , 2010 ]

47. Cattura della CO2 con FuelCells [ Parodi, 2010 ]

48. Cattura della CO2 con FuelCells [ Moreno, 2007 ]

49. Cattura della CO2 da Impianti di Media Scala • Generazione distribuita: TAG, ICE, FC • Predominanza di ICE (gas, diesel) sulle • TAG per impianti con Pel < 5 MWe • ICE equipaggiabili senza problemi • con separatori post-combustione [ Hendrinkset. al., 2009 ] • Mercato interessante: l’elevato numero di impianti • esistenti (specie impianti CHP a gas naturale) • Difficoltà tecniche analoghe a impianti maggiori • Impatto dei costi notevole [ Desideri et al., 2010 ]

50. μCHP