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REPUBBLICA ITALIANA
Cagliari, 20 novembre 2015
Celle a Combustibile PEMFC: attuali prospettive di mercato e risultati delle
attività sperimentali
Marialaura LucarielloSardegna Ricerche
AREA 1
Sistemi Energetici Integrati e Innovativi
Progetto 1.2. Materiali per lo stoccaggio e la generazione
elettrochimica.
Progetto 1.2.1 Sviluppo di nuovi
materiali catalitici per la
realizzazione di celle a combustibile
di tipo PEMFC.
Progetto Cluster Energie Rinnovabili
Fasi del progetto
WP1
• WP 1: Attività di informazione sullo stato dell’arte dei materialiinnovativi per celle a combustibile PEMFC.
WP2
• WP 2: Sintesi e caratterizzazione di nuovi catalizzatori per cellePEMFC.
WP3
• WP 3: Assemblaggio di una cella singola PEMFC con i materialipreparati e successiva caratterizzazione elettrochimica.
WP4
• WP 4: Sviluppo di un processo per il riciclo del catalizzatoredall’assemblato membrana elettrodo e ulteriore preparazione dinuovi assemblati con i catalizzatori recuperati.
WP5
• Analisi comparativa dei risultati ottenuti, delle criticità emerse e divulgazione dei risultati sperimentali.
Temperatura di lavoro: LT PEMFC sino a 90°C, HT PEMFC sino a 150 °C
Rendimento fino al 34-37 %
Vita media 40000 h
Reazioni AnodicaH2 2H++2e -
Reazione Catodica½ O2 + 2 H++2e-
H2O
Celle a combustibile PEMFC
Fonte dell’immagine: Fuel Cell Today, http://fuelcelltoday.com/
Fonte dell’immagine: Proton exchange membrane fuel cells, B.G. Pollet, A.A. Franco, H. Su, H. Liang, S. Pasupathi, Compendium of Hydrogen Energy. http://dx.doi.org/10.1016/B978-1-78242-363-8.00001-3
Struttura della cella singola
Applicazioni
Generazione portatile ed elettronica di consumo
Trasporto
Generazione residenziale
Cogenerazione commerciale e residenziale
Cogenerazione industriale
Cogenerazione distribuita
<100 W
1 - 10 kW
50-250 kW
5 -200 kW
200 kW – 2 MW
2 kW – 20 MW
Nella rete elettrica Europea:-c.a. l’8% dell’elettricità è persa lungo le linee di distribuzione-il 20 % della capacità è impiegata per soddisfare i picchi diconsumo.
L’esaurimento delle scorte di combustibili fossili, le perdite ditrasmissione e distribuzione, e l’elevato inquinamento ambientalecondizionano gli impianti di generazione centralizzata.
Un nuovo concetto di generazione distribuita è basato su fonti rinnovabili e non convenzionali.
Contesto energetico
Distributed Energy Resources (DERs)
Fonte: J.I. San Martín et al., Electric Power Systems Research 80 (2010) 993–1005
Stoccaggio dell’energia
I sistemi di stoccaggio dell’energia contribuiscono- a stabilizzare la produzione intermittente di energia rinnovabile, - a soddisfare la richiesta variabile dei carichi.
Batterie –stoccaggio a breve termine
• basse densità di stoccaggio
• fenomeni di auto-scarica
Tecnologie dell’idrogeno – stoccaggio a lungo termine stagionale
• elevata densità di stoccaggio
• ridotte perdite
• semplicità nell’installazione
«Hydrogen Storage System»
Fonte: J.I. San Martín et al., Electric Power Systems Research 80 (2010) 993–1005
Microrete nel Laboratorio
(produzione-stoccaggio-utilizzo di H2)
Impianto per la generazione, lo stoccaggio e l’utilizzo dell’idrogeno:
‒ Generazione di energia elettrica da fonti rinnovabili eolica e fotovoltaica (11 kW).
‒ Produzione di idrogeno da elettrolisi ( 2 Nm3/h).
‒ Stoccaggio di idrogeno in fase gassosa e idrurica (61 Nm3).
‒ Generazione di energia elettrica e calore con celle a combustibile (5 kW).
Fonte: Ph.D Thesis M. Petrollese, Optimal generation scheduling for Renewable Microgrids using Hydrogen Storage Systems
Photovoltaic system Electrolyzer
Panel peak power 0.225 kW H2 Net Production Rate: 1.05 Nm3/h
Efficiency 18.1% Delivery Pressure 13.8 barg
Solar cells 72 Nominal power 6 kW
Panel number 36 Number of cell 20
Wind turbine Fuel Cell
Rated power @ 14 m/s 3 kW Nominal power 5 kW
Configuration 3 blades, vertical axis H2 rated consumption 65 Nl/min
Rotor diameter 3 m Nominal voltage 48 VDC
Hub height 5.8 m Nominal current 115 A
Batteries Hydrogen Tank
Nominal voltage 12 V Number 4
Rated Capacity (C100) 270 Ah Volume/Tank 1 m3
Batteries per string 4 Max operating pressure 22 bar
Max. Charge Current 48 A
Dati Tecnici
Soluzione di generazione stand-alone in cui l’eccesso di energiarinnovabile generata da una turbina eolica e da un impiantofotovoltaico è immagazzinata attraverso la produzione e ilsuccessivo stoccaggio di idrogeno.
Produzione annua di energia da RES: 17.8 MWh
Energia effettiva erogabile annua all’utenza:
<14 MWh
Minimo carico giornaliero erogabile: 21.3 kWh
Fonte: Cau, G., Cocco, D., Petrollese M., Tola V., Assessment of a hybrid stand-alone power system withhydrogen production and storage, MICROGEN 3, The 3rd International Conference on Microgeneration andRelated Technologies, Naples, 15-17 April, 2013.
Microrete nel Laboratorio
(produzione-stoccaggio-utilizzo di H2)
1) La soluzione di accumulo di energia in cui lo stoccaggio dell’idrogeno è abbinato alle batterie migliora la gestione dei carichi transitori e dei picchi di potenza intermittenti.
Lo Stato di Carica della Batteria (State of Charge-SOC) è una delle principali variabili di controllo per la gestione dell’impianto.
Informazioni acquisite
SOC<SOCmax
1) Carica della batteria sino a SOCmax
2) gen. H2-carica bomboloni
potenza prodotta
>
potenza richiesta
SOC>SOCmax
1) Scarica della batteria sino a SOCmin
2) Scarica bomboloni + fuel cell
potenza prodotta
<
potenza richiesta
Fonte: Ph.D Thesis M. Petrollese, Optimal generation scheduling for Renewable Microgrids using Hydrogen Storage Systems
SOC-based control system
Informazioni acquisite
2) L’impianto di stoccaggio ad idrogeno può essere un’ottima soluzione per effettuare accumuli di energia a medio-lungo termine. Tuttavia, affinchè tale sistema sia efficace risulta fondamentale un’adeguata progettazione della capacità di accumulo dell’idrogeno.
0 250 500 750 1000 12500
1.5
3
4.5
6
Hydrogen storage capacity [Nm3]
Annual energ
y f
low
s [
MW
h/y
ear]
EL
FC
EX
UN
Fonte: Cau, G., Cocco D., Lucariello M., Petrollese, M., Optimal generation scheduling for a hybrid stand-alone power plant using renewable energy source and hydrogen storage system, ECOS2014, Turku, Finland
0 60 120 180 240 300 360-6
-4
-2
0
2
4
6
8
10
Day
Hourly E
nerg
y f
low
[kW
h]
BATT H2 EX UN
0
2
4
6
8
10
Annual energ
y f
low
[M
Wh]
RES energy Load demand
Direct
Batt
H2
EX
UN
In verde tutta l’energia persa perché serbatoi già pieni
- Validazione dei modelli di gestione della microgrid e sviluppo di nuove strategie di gestione ottimale con l’ausilio delle previsioni meteorologiche
- Determinazione degli effettivi costi di gestione delle microgrid e valutazione del deterioramento dei vari componenti
- Estensione dell’impianto e integrazione con altre tecnologie, possibilità di utilizzo dell’idrogeno in eccesso come carburante di una macchina ad idrogeno
- Studi di fattibilità di casi studio reali in cui l’utilizzo dell’idrogeno risulta economicamente conveniente (es. alimentazione di utenze isolate, smart grids)
Punti da sviluppare
Attività sperimentali
Sperimentazione di nuovi materiali catalitici
•Sintesi di leghe a base di Pt-M supportati su OMC (UNISS)
•Sviluppo di metodologie di deposizione e di assemblaggio specifiche (Lab
H2FER, 3DNikele)
•Caratterizzazione in celle a combustibile (Lab H2FER)
•Caratterizzazione morfologica (Lab. Telemicroscopia)
Sviluppo di un processo per il recupero del metallo
nobile contenuto nel MEA
• Trattamenti di recupero del metallo nobile dagli assemblati membrana-
elettrodo (UNICA)
• Preparazione di un nuovo catalizzatore (UNICA)
• Preparazione di nuovi elettrodi e caratterizzazione in cella a
combustibile (Lab H2FER)
WP 2: Sintesi e caratterizzazione di nuovi catalizzatori per celle PEMFC
1. Sintesi di 7 nuovi catalizzatori a base di Pt, Pt-Nb, Nb e Pt-Fe supportati su CMK3 (UNISS)
2. Preparazione degli elettrodi, assemblaggio del MEA e della cella
3. Diagnostica delle prestazioni in cella PEMFC
N
N S
CH3
CH3
SH
+
I3-
CH3CN, D
3-5 gg
MEA a fine vitaNuovo catalizzatore[Pt(Me2pipdt)2] I2
Fonte: F. Bigoli, P. Deplano, M.L. Mercuri, M.A. Pellinghelli, G. Pintus, A. Serpe, E.F. Trogu,J.Am.Chem.Soc., 2001, 123, 1788.
triiodide salt of N, N'-dimethyl-piperazine-2,3-ditione
WP 4: Sviluppo di un processo per il riciclo del catalizzatore dall’assemblato membrana elettrodo
Vantaggi del metodo
- Semplice ed economico- bassi carichi catalitici e perdite catalitiche ridotte- estensione di scala- gestione della geometria dell’area di deposizione e del verso di
deposizione- deposizione di uno strato 3-D- regolazione della velocità di deposizione in funzione della densità
dell’inchiostro catalitico
Svantaggi
- Regolazione sensibile della distanza siringa-tessuto- Regolazione sensibile della planarità dell’area di deposizione
Prime valutazioni