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C ombined. H eat. P ower. &. Prospettive tecnologiche di cogenerazione di bioenergia in agricoltura 1 a parte. Reggio Emilia, 12 Ottobre 2007 . Ing. Claudio Zini, ENEA, Laboratorio sulle Energie. CHP - Sommario. - Cosa è il CHP e perché si ricorre al CHP

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Presentation Transcript
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Combined

Heat

Power

&

Prospettive tecnologiche di cogenerazione di bioenergia in agricoltura

1a parte

Reggio Emilia, 12 Ottobre 2007

Ing. Claudio Zini, ENEA, Laboratorio sulle Energie


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CHP - Sommario

- Cosa è il CHP e perché si ricorre al CHP

- Tecnologie CHP consolidate

  • Parametri di riferimento e normative

  • Valutazioni energetiche

  • Campi di applicazione ottimali nel settore delle FER

  • Casi tipici di applicazioni con il ricorso alle FER

  • Evoluzioni tecnologiche nel breve termine


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Cosa è il CHP ?

“… sistema integrato che converte l’energia primaria di una qualsivoglia fonte di energia nella produzione congiunta di energia elettrica e di energia termica (calore)… conseguendo un risparmio di energia primaria ed un beneficio ambientale rispetto alla produzione separata delle stesse quantità di energia elettrica e termica ….”

Definizione dalla Delibera AEEG n. 42/02 19 marzo 2002


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Cosa è il CHP ?

Il sistema comprende diversi componenti:

un motore primario, un generatore, un recuperatore di calore, interconnessioni elettriche, etc.

Il motore primario è il componente che caratterizza

la tipologia del sistema.

Si possono avere impianti che utilizzano:

  • Motori alternativi

  • Turbine a gas

  • Turbine a vapore

  • Celle a combustibile


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Perché il CHP ?

VANTAGGI

  • Economico: grazie alla miglior efficienza d’impianto si sfrutta meglio l’energia contenuta nel combustibile, consumando meno.Ulteriore risparmio è legato alla produzione localizzata dell’energia

  • Ambientale: minor consumo di combustibile implica minor emissioni nocive nell’ambiente

  • Finanziario: la cogenerazione è considerata una fonte di energia assimilabile alle fonti alternative (sole, vento, geotermia) e gode quindi di incentivi e facilitazioni previsti dalla legge


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Perché il CHP ?

LIMITI

  • Necessità di corrispondenza tra produzione e domanda sia per l’energia elettrica che termica

  • Affinché si realizzi una convenienza economica per l’impianto le utenze termiche ed elettriche devono trovarsi nelle vicinanze del sistema di generazione

  • Maggiori costi di impianto rispetto ai sistemi tradizionali imputabili alla complessità degli impianti cogenerativi


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Perché il CHP ?

L’idea di cogenerazione è insita nel Secondo Principio della Termodinamica

Un generico ciclo termodinamico destinato a convertire calore in lavoro meccanico deve necessariamente scaricare una parte del calore introdotto nel ciclo

Nelle tecnologie concretamente realizzabili e utilizzate, la frazione di calore scartato è quasi sempre maggiore della frazione convertita in lavoro meccanico

L’energia termica è una forma di energia ampiamente richiesta in ambiente industriale e civile

Il processo di cogenerazione porta ad un più razionale uso dell’energia primaria rispetto ai processi che producono separatamente le due forme di energia


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Perché il CHP ?

CHP Vs SHP

Gli impianti che producono separatamente energia elettrica e calore sono definiti, in questa nuova ottica:

SHP: Separated Heat and Power

Un confronto di massima tra le due soluzioni impiantistiche aiuta a valutare i vantaggi della generazione combinata (CHP) rispetto alla generazione separata (SHP) di energia


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Perdite

meccaniche

Inquinamento

termico

Inquinamento

chimico

Inquinamento

termico

Inquinamento

chimico

Calore

utile

CHP Vs SHP

SHP: Separated Heat and Power

Energia elettrica

ηt

ηm

ηc

Lavoro

utile

Le

Energia

chimica

mcHi

Lavoro

L

Calore

Q

Energia termica

ηt

ηc

Energia

chimica

mcHi

Calore

Q


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Perdite

meccaniche

Inquinamento

chimico

Calore

utile

CHP Vs SHP

CHP: Combined Heat and Power

Produzione combinata di Energia elettrica ed Energia Termica

ηt

ηm

ηc

Lavoro

utile

Le

Energia

chimica

mcHi

Lavoro

L

Calore

Q


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CHP Vs SHP

Schema esemplificativo dei bilanci energetici comparati

Fonte: Tina Kaarsberg e Joseph Roop, “Combined Heat and Power: How Much Carbon and Energy Can it Save for Manifacturers?”


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CHP Vs SHP

Diagramma comparato delle efficienze

(Si assume del 40% l’efficienza del generatore elettrico e dell’80% il generatore termico)

Fonte: EPA


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CHP Vs SHP

Si prenda ad esempio un sistema che richiede contemporaneamente:

60 Unità di Energia Elettrica + 100 Unità di Energia Termica

e si ipotizzino i seguenti rendimenti:

40 % nella produzione Elettrica, 80% in quella Termica

Il bilancio energetico, nel caso di produzione separata, diventa:


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CHP Vs SHP

I sistemi cogenerativi raggiungono livelli di efficienza complessiva superiore all’80%, pertanto, se nell’esempio dell’utenza di prima si confrontassero le due ipotesi otterremmo il seguente bilancio energetico:

Ottenendo una riduzione superiore al 27% (275 Vs 200)nel consumo di combustibile !



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Tecnologie CHP

Impianti considerati cogenerativi ( Direttiva 2004/8/CE)

  • Turbine a gas a ciclo combinato con recupero di calore

  • Turbine a vapore a contropressione

  • Turbina a condensazione con spillamento di vapore

  • Turbine a gas con recupero di calore

  • Motore a combustione interna

  • Microturbine

  • Motori Stirling

  • Pile a combustibile

  • Motori a vapore

  • Cicli Rankine a fluido organico

  • Ogni altro tipo di tecnologia o combinazione di tecnologie che rientrano nella definizione di cogenerazione (articolo 3, lettera a)


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Tecnologie CHP

Classificazione degli impianti

Gli impianti di cogenerazione possono essere classificati sulla base della POTENZA in:

  • Micro cogenerazione: unità di cogenerazione con una capacità massima inferiore a 50 kWe

  • Piccola cogenerazione: unità di cogenerazione con una capacità massima di inferiore a 1MWe

  • Media cogenerazione: unità di cogenerazione con una capacità massima compresa tra 1 e 10 MWe

  • Grande cogenerazione: unità di cogenerazione con una capacità massima superiore a 10 MWe


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Tecnologie CHP

PRINCIPALI MOTORI PRIMI UTILIZZATI NEGLI IMPIANTI COGENERATIVI


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Turbine a gas

GE – Nuovo Pignone


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Turbine a gas

Sistema basato sul ciclo termodinamico di Brayton

Esistono numerose varianti ottenute adottando integrazioni sul sistema base al fine di recuperare energia sia elettrica che termica e per ottimizzare i rendimenti dei vari stadi del ciclo


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Turbine a gas

Principali caratteristiche

1 - Recupero termico: le turbine a gas generano gas di scarico ad alta temperatura e quindi di buona qualità. Queste caratteristiche consentono pertanto di:

  • Integrare sistemi di recupero dell’energia con turbine ausiliarie (sistemi HRSG)

  • Impiegare direttamente i gas in processi tecnologici di riscaldamento/essiccamento

  • Consentire alte efficienze nel recupero termico finale, sia allo scarico che nel circuito di raffreddamento


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Turbine a gas

Principali caratteristiche

2 – Elevata flessibilità nella scelta del combustibile:

Le turbine a gas possono essere alimentate praticamente con tutti i tipi di gas combustibili.

Sono pertanto integrabili in una filiera bioenergetica (biogas)

3 – Affidabilità e durata: le turbine a gas sono altamente affidabili. Ne è la prova che l’intervallo tra le revisioni manutentive è dell’ordine delle 25.000 – 50.000 ore di funzionamento (fonte EPA)


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Turbine a gas

Principali caratteristiche

4 – Applicabilità: le turbine a gas hanno un campo di applicazione per impianti da 500 kW a 250 MW di potenza elettrica

Si fa ricorso alle turbine a gas quando è richiesto di privilegiare la produzione di Energia Elettrica a scapito della Termica. Quest’ultima è percentualmente più bassa che in altre soluzioni CHP ma di ottima qualità (alta temperatura). Ciò comporta però che il rendimento complessivo del sistema si attesta mediamente al 70%

5 – Emissioni: La combustione ad alta temperatura dei gas genera l’emissione di NOx e di CO.

In relazione alla dimensione e dell’ubicazione dell’impianto e del livello di purezza dei gas, è possibile prevedere l’integrazione di sistemi di abbattimento degli inquinanti con filtri catalitici


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Turbine a gas

Esempio di dimensionamento di turbina a gas di media potenza (attorno ai 10 MW)



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Turbine a gas Pignone

Spaccato di una turbina a gas accoppiata al generatore – Produttore: MAN


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Turbine a vapore Pignone

GE – Nuovo Pignone


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Turbine a vapore Pignone

Macchine motrici a “combustione esterna”. Il fluido motore, fatto evaporare in apposito generatore di vapore, espande in turbina a produrre energia meccanica

Si possono annoverare due tipologie, con o senza spillamenti:

Turbina a condensazione

Turbina a contro pressione


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Turbine a vapore Pignone

La macchina è inserita all’interno di un impianto che realizza il ciclo termodinamico di Rankine seguendo le fasi di evaporazione espansione ed eventuale condensazione


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Turbine a vapore Pignone

Principali caratteristiche

1 - Recupero termico: possibilità di ottenere elevati valori di rendimento termico globale fornendo calore ad elevata temperatura

2 - Elevata flessibilità nella scelta del combustibile:

Possibilità di alimentare il bruciatore con qualsiasi tipo di combustibile anche non pregiato. Pertanto integrabili in una

filiera bioenergetica


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Turbine a vapore Pignone

Principali caratteristiche

3 – Affidabilità e durata: le turbine a vapore sono altamente affidabili. La vita media può raggiungere i 50 anni. Se correttamente condotte (adeguati warm up) le attività manutentive importanti sono legate all’eliminazione dei depositi.

4 – Applicabilità: le turbine a vapore hanno un campo di applicazione per impianti da 50 kW a 250 MW di potenza elettrica

Si fa ricorso alle turbine a vapore quando è richiesto elevata produzione di Energia termica.

5 – Emissioni: Le emissioni sono legate al tipo di combustibile utilizzato nel generatore di vapore.


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Motore a combustione interna Pignone

Motore a combustione interna


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Motore a combustione interna Pignone

Macchine motrici a “combustione interna” che seguono il ciclo termodinamico Sabathe o Diesel

Ciclo Sabathe’

Ciclo Diesel


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Motore a combustione interna Pignone

Principali caratteristiche

1 - Recupero termico: possibilità di ottenere elevati valori di rendimento termico globale fornendo calore a temperatura non troppo elevata

2 - Elevata flessibilità nella scelta del combustibile:

Possibilità di alimentare il motore con un ampia gamma di combustibili sia liquidi che gassosi. Pertanto integrabili in una filiera bioenergetica

3 – Affidabilità e durata: elevate

4 – Applicabilità: campo di applicazione molto vasto da 5 kW a 10 MW di potenza elettrica. Elevata flessibilità operativa.

5 – Emissioni: Significative emissioni di NOx


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Motori a combustione interna Pignone

Esempio di prestazioni di un motore a combustione interna alimentato a metano



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H Pignone2

O2

H2O

Celle a combustibile

CELLE A COMBUSTIBILE

Le celle a combustibile sono dispositivi atti a trasformarel’energia chimicagenerata dalla reazione tra due composti inenergia elettrica

energia chimica: energia sviluppata o assorbita, principalmente sotto forma di calore, quando due elementi interagiscono trasformando la propria struttura molecolare

+

=

2H2 + O2 = 2H2O


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Celle a combustibile Pignone

Confronto tra conversione “convenzionale” termodinamica e conversione elettrochimica


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Celle a combustibile Pignone

Come funziona una cella a combustibile


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Celle a combustibile Pignone

Stack

Ogni singola cella genera una tensione di circa 0.7 v e correnti comprese tra i 300 e 800 ma/cm2

pertanto risulta necessario disporre piu’ celle in serie per avere la tensione e la potenza volute


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Celle a combustibile Pignone

Principali tipi di celle /1

CELLE ALCALINE ( AFC Alkaline Fuel Cell):Usano un elettrolita costituito da idrossido di potassio ed operano a temperature intorno a 120 °C

CELLE AD ELETTROLITA POLIMERICO (PEFC Polymer Electolyte Fuel Cell) :Usano come elettrolita una membrana polimerica ad elevata conducibilità protonica e funzionano a temperature comprese tra 70 e 100 °C

  • CELLE AD ACIDO FOSFORICO (PAFC Phosphoric Acid Fuel Cell) :Usano come elettrolita una soluzione concentrata di acido fosforico funzionano a temperature prossime ai 200 °C


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Celle a combustibile Pignone

Principali tipi di celle /2

  • CELLE A CARBONATI FUSI (MCFC Molten Carbonate Fuel Cell) :Usano come elettrolita una soluzione di carbonati alcalini fusa e funzionano a temperature prossime ai 650°C

  • CELLE OSSIDI SOLIDI (SOFC Solid oxide Fuel Cell) :Usano come elettrolita costituito da ossido di zirconio drogato con ossido di ittrio e funzionano a temperature elevate prossime ai 1000°C

  • CELLE A METANOLO DIRETTE (DMFC Direct Methanol Fuel Cell) :Usano come elettrolita una membrana polimerica ad elevata conducibilità protonica e funzionano a temperature comprese tra 70 e 120 °C


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Celle a combustibile Pignone

Curva caratteristica


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Celle a combustibile Pignone

Influenza delle condizioni operative sulle prestazioni della cella

Curve caratteristiche al variare della pressione operativa

Tensione di cella al variare della temperatura operativa


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Celle a combustibile Pignone

Perche’ utilizzare le celle a combustibile


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Celle a combustibile Pignone

Tipi di combustibili utilizzabili


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Microturbine Pignone


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Microturbine a gas Pignone

Sistema basato sul ciclo termodinamico di Brayton


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Microturbine a gas Pignone

Principali caratteristiche

1 - Recupero termico: le microturbine generano gas di scarico ad alta temperatura e quindi di buona qualità. Queste caratteristiche consentono pertanto di:

  • Impiegare direttamente i gas in processi tecnologici di riscaldamento/essiccamento

  • Consentire alte efficienze nel recupero termico finale allo scarico

2 – Elevata flessibilità nella scelta del combustibile:

Le microturbine a gas possono essere alimentate praticamente con tutti i tipi di gas combustibili.

Sono pertanto integrabili in una filiera bioenergetica (biogas)


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Microturbine a gas Pignone

3 – Affidabilità e durata: Vita media stimata tra 40000 – 80000 ore.

4 – Applicabilità: le microturbine a gas hanno un campo di applicazione per impianti da 30 a 350 kW di potenza elettrica

5 – Emissioni: Alti rapporti combustibile/aria determinano basse emissioni di NOx


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Motori a vapore Pignone

Motori alternativi basati sulla tecnologia delle locomotive a vapore

Caratteristiche:

  • Buon rendimento anche a carichi parziali

  • Semplicità di conduzione

  • Campo di pressioni: 6 – 60 bar

  • Numero di giri : 750 – 1500 giri/min

  • Taglie: 25 – 1500 kW


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Motore Stirling Pignone

Motori alternativi a combustione esterna

Il riscaldamento del fluido motore viene realizzato all’esterno dei cilindri.

Si possono utilizzare combustibili con elevati livelli di contaminanti ( H2S, siloxani, etc.)




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Schemi di Impianto Pignone

Turbina a gas con post-combustione

Ccompressore d’aria

CCcamera di combustione

TGturbina a gas

PC post combustore

SR sistema di recupero

STscarico turbina

Si recupera tramite uno scambiatore parte del calore dei fumi di scarico del post-combustore


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Schemi di Impianto Pignone

Turbina a vapore in contropressione

Ppompa di alimento acqua

Ggeneratore di vapore

TV turbina a vapore

SR sistema di recupero

Si recupera tramite uno scambiatore parte del calore del vapore scaricato dalla turbina


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Schemi di Impianto Pignone

Turbina a vapore a condensazione con spillamento

Ppompa di alimento acqua

Ggeneratore di vapore

TV turbina a vapore

SR sistema di recupero

CDcondensatore

Si recupera tramite uno scambiatore parte del calore del vapore spillato dalla turbina


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Schemi di Impianto Pignone

Ciclo combinato con post-combustione e Turbina a vapore in contropressione

Ppompa di alimento acqua

Ccompressore d’aria

CCcamera di combustione

TGturbina a gas

TV turbina a vapore

PC post combustore

SR sistema di recupero

TAalternatore

Si utilizza il calore dei fumi di scarico del post-combustore per produrre vapore che va in turbina e si recupera calore dal raffreddamento del vapore in uscita dalla turbina


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Schemi di Impianto Pignone

Ciclo combinato con post-combustione e Turbina a vapore a condensazione con spillamento

Ppompa di alimento acqua

Ccompressore d’aria

CCcamera di combustione

TGturbina a gas

PCpost combustore

TV turbina a vapore

SRsistema di recupero

TAalternatore

CDcondensatore

Si utilizza il calore dei fumi di scarico del post-combustore per produrre vapore che va in turbina e si recupera calore dal vapore spillato


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Schemi di Impianto Pignone

Ciclo combinato con Turbina a gas e turbina a vapore a condensazione


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Schemi di Impianto Pignone

Motore a combustione interna turbocompresso

Ccompressore d’aria

TGturbina a gas

SR sistema di recupero

Si recupera calore dell’aria compressa di alimento, dai fumi di scarico e dal fluido di raffreddamento del motore


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Schemi di Impianto Pignone

Schema di impianto con motore a combustione interna


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Cicli Rankine a fluido organico Pignone

Ciclo chiuso simile a quello di una turbina a vapore d’acqua che utilizza un fluido organico ad elevata massa molecolare, generalmente un olio siliconico

L’impianto è costituito dal gruppo di turbogenerazione accoppiato ad una centrale termica ad olio diatermico che riscalda, tramite scambiatore, il fluido organico che realizza il ciclo Rankine

VANTAGGI

  • elevata efficienza del ciclo

  • elevata efficienza della turbina

  • bassa velocità di esercizio: - basse sollecitazioni meccaniche - azionamento diretto del generatore


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Schemi di Impianto Pignone

Impianti utilizzanti celle a combustibile /1

Impianto di piccole dimensioni che accoppia la produzione di energia elettrica, tramite celle a combustibile, con un sistema di produzione di idrogeno, attraverso il trattamento termochimico di un idrocarburo.

Si recupera calore dal processo di trattamento dell’idrocarburo e nella reazione chimica all’interno della cella


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Schemi di Impianto Pignone

Impianti utilizzanti celle a combustibile /2

SOTTOSISTEMI DI IMPIANTO

  • Sistema di pulizia del gas naturale: elimina i composti dello zolfo che risultano nocivi per i catalizzatori presenti nel sottosistema di trattamento combustibile e nello stack di celle;

  • Sistema di trattamento del gas naturale: produce un gas ad alto contenuto di idrogeno con caratteristiche compatibili al corretto funzionamento dello stack di celle utilizzate;

  • Sistema cella a combustibile (stack): produce energia elettrica dalla reazione tra idrogeno e ossigeno

  • Sistema di umidificazione: garantisce il corretto funzionamento delle membrane polimeriche nello stack;

  • Sistema di raffreddamento: garantisce i livelli ottimali di temperatura dello stack e degli altri sottosistemi recuperando il calore da inviare alle utenze;

  • Sistema di power conditioning: trasforma l’energia in cc prodotta dallo stack in energia in ca ed assicura nel contempo il parallelo con la rete ENEL (modalità grid-connected) nel rispetto delle normative vigenti. Inoltre in caso di mancanza della rete ENEL assicura il funzionamento delle utenze critiche (modalità grid-indipendent);


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STEAM REFORMER CH4+H2O = CO+3H2 Pignone

WATER SHIFT CO+H2O = CO2+H2

PILA A COMBUSTIBILE

Fonte ENEA

OSSIDAZIONE PREFERENZIALE CO+1/2 O2 = CO2


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Rete distribuzione elettrica Pignone

Elettricità

FC

Elettricità

CHP

Acqua calda

Sistema trattamento gas/Scambiatore

Metano

Integrazione sistema di cogenerazione PEMFC con impianto di riscaldamento residenziale

Schemi di Impianto

Impianti utilizzanti celle a combustibile /3


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Schemi di Impianto Pignone

Impianti utilizzanti celle a combustibile /4

Impianto di cogenerazionecon celle ad elettrolita polimerico


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Schemi di Impianto Pignone

Impianti utilizzanti celle a combustibile /5

CHP

Possibile scenario