Modulo 2. Impianti per la produzione di energia termica, elettrica e frigorifera da energia solare

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1 Corso di Impianti Meccanici Laurea Magistrale Modulo 2. Impianti per la produzione di energia termica, elettrica e frigorifera da energia solare Sezione 2.2 Impianti per la produzione, compressione e utilizzo di idrogeno Prof. Ing. Cesare Saccani Prof. Ing. Augusto Bianchini Dott. Ing. Marco Pellegrini Department of Industrial Engineering (DIN) - University of Bologna Viale Risorgimento 2, 40136, Bologna Italy

2 2 Agenda Generalità sull idrogeno HENERGIA: impianto a idrogeno

3 Generalità sull idrogeno L idrogeno L idrogeno, l elemento più leggero e abbondante dell universo, è assai raro sulla Terra allo stato elementare a causa della sua estrema volatilità. Viceversa, l idrogeno è molto diffuso sotto forma di composti (acqua, idrocarburi, sostanze minerali, organismi animali e vegetali) e può quindi essere prodotto a partire da diverse fonti. Ciò implica un dispendio di energia: per tale motivo l idrogeno è tecnicamente considerato una fonte energetica secondaria, alla stregua dell energia elettrica, e non una fonte energetica primaria. L idrogeno è un gas incolore, inodore, non velenoso, estremamente volatile e leggero: presenta un ridotto contenuto energetico in volume, ma ha il più alto contenuto di energia per unità di massa. 3

4 L idrogeno vs. altri combustibili Generalità sull idrogeno Idrogeno Metano Benzina Massa molecolare [kg/kmole] Temperatura di fiamma [ C] LHV [MJ/kg] ,5 HHV [MJ/kg] ,5 46,7 Densità del gas [kg/m 3 ] a 1 bar e 15 C 0,085 0,677 - Densità media del liquido [kg/m 3 ] Densità del LHV [MJ/m 3 ] a 1 bar e 15 C 10,2 37, Range di infiammabilità in aria (% in volume) 4-75% 5,3-15% 1-3% Energia di attivazione [mj] 0,02 0,29 0,24 4

5 L idrogeno: come si produce? Generalità sull idrogeno Fonte: ENEA 5

6 L idrogeno: come si produce? REFORMING (del metano) Generalità sull idrogeno Lo Steam Reforming del Metano (SRM) è il processo industriale più diffuso per la produzione di idrogeno. Si basa selle due reazioni di reforming (1) e water gas shift (2), che assieme danno la reazione completa (3): CH 4 +H 2 O CO + 3H 2 H0= +206 kj/kmol (1) CO + H 2 O CO 2 +H 2 H0= -41 kj/kmol (2) CH 4 +2H 2 O CO 2 +4H 2 H0= +165 kj/kmol (3) Parametri di processo industriale: - Temperatura superiore a 800 C; - Pressione 1-20 bar; - Rapporto molare vapore/metano pari a 1,5-3. 6

7 L idrogeno: come si produce? GASSIFICAZIONE Generalità sull idrogeno La gassificazione è un processo termochimico che permette di convertire materiale ricco in carbonio (carbone, biomasse) in un syngas composto da monossido di carbonio, idrogeno e altri composti gassosi. Il processo di degradazione del combustibile di partenza avviene a temperature elevate (tipicamente superiori a C), in presenza di una percentuale sotto-stechiometrica di un agente ossidante, tipicamente aria (ossigeno) o vapore. 7

8 L idrogeno: come si produce? ELETTROLISI dell acqua Generalità sull idrogeno L'elettrolisi dell'acqua è un processo elettrolitico nel quale il passaggio di corrente elettrica causa la scomposizione dell'acqua in ossigeno ed idrogeno gassosi. All acqua distillata (povera di ioni H3O + eoh - ) vengono solitamente aggiunte piccole quantità di H 2 SO 4 (acido solforico) allo scopo di renderla più conduttrice. Data la bassa concentrazione degli ioni H 3 O +,OH - eso 4 2-,leuniche reazioni possibili sono: al catodo: 4H 2 O+4e - 4OH - +2H 2 all'anodo: 6H 2 O 4H 3 O + +O 2 +4e - reazione di neutralizzazione: 4H 3 O + + 4OH - 8H 2 O reazione globale: 2H 2 O 2H 2 +O 2 8

9 L idrogeno: a cosa serve? Generalità sull idrogeno L idrogeno viene prodotto comunemente in ambito industriale per diverse applicazione, tra cui: - propellente nei missili o nei razzi vettori; - combustibile nei processi di saldatura (fiamma ossidrica); - per idrogenare gli idrocarburi nell'industria delle benzine; - materia prima dell'industria chimica (ad esempio per la sintesi dell'ammoniaca o dell'acido cloridrico); - materia prima nell'industria alimentare, ad esempio per idrogenare gli oli ed ottenere le margarine. In ambito energetico, l idrogeno viene utilizzato come vettore energetico, cioè viene prodotto per veicolare l'energia da una forma ad un'altra. 9

10 L idrogeno come combustibile Generalità sull idrogeno L utilizzo di idrogeno in ambito energetico pone il problema di come valorizzarlo a livello di combustibile. I possibili utilizzi sono: - celle a combustibile (fuel cell), per la produzione di energia elettrica o energia elettrica e termica; - in turbine a gas; - nei motori a combustione interna (miscelato con altri combustibili, come il metano). 10

11 L idrogeno come vettore energetico Generalità sull idrogeno L idrogeno può essere accumulato in forma gassosa, liquida oppure adsorbito su materiali speciali (idruri metallici); ogni forma presenta aspetti favorevoli e svantaggi e tutte, se pur in gran parte già utilizzate, richiedono ancora significativi sforzi di ricerca e sviluppo per un impiego su larga scala affidabile e economicamente competitivo, come nel caso di una rete adeguata per il rifornimento degli autoveicoli. 11

12 L idrogeno come vettore energetico Generalità sull idrogeno Allo stesso modo, l idrogeno può essere trasportato in forma gassosa o liquida. A seconda delle quantità interessate, l idrogeno può essere trasportato per mezzo di autocisterne o con idrogenodotti. Inoltre, l idrogeno può essere trasportato impiegando la rete gas metano esistente, purchè non venga superato il limite di concentrazione in volume del 13-17%. L idrogeno rappresenta un elemento fondamentale per la realizzazione di smart grid sia elettriche che metano ed è anche un vettore energetico che può essere impiegato per far dialogare le due reti. 12

13 Generalità sull idrogeno Power-to-gas La tecnologia «Power-to-Gas» si basa sulla conversione dell energia elettrica in eccesso, prodotta da impianti alimentati da fonti rinnovabili quali eolici o fotovoltaici (i cui picchi non sono programmabili) in gas combustibile, sia esso idrogeno o metano (convertito dall idrogeno mediante il processo Sabatier). CO 2 + 4H 2 CH 4 + 2H 2 O (ad alta pressione e con C) 13

14 Agenda Generalità sull idrogeno HENERGIA: impianto a idrogeno 14

15 Impianto idrogeno: HENERGIA HENERGIA Laboratorio Fossil Fuel Free Inaugurazione: Settembre 2013 Impianti fotovoltaici Solar cooling Idrogeno: elettrolisi, compressione e PEM fuel cell Caldaia a biomassa 15

16 Impianto idrogeno: Process Flow Diagram Acqua demineralizzata Acqua raffreddamento Energia elettrica Energia elettrica Elettrolizzatore H2 Compressore Fuel cell O2 Bassa pressione Energia elettrica Alta pressione Vapor d acqua 16

17 Impianto idrogeno: Lay-out 17

18 Impianto idrogeno: Lay-out 18

19 Elettrolizzatore Marca: Piel Modello: P (fornitura e posa in opera) Dimensioni [cm] 94 x 54 x 150 Peso [kg] 260 Consumo acqua [lt/h] 0,8 Potenza elettrica assorbita [kw] 7,4 Alimentazione elettrica [V Hz] /60 Produzione idrogeno [ST lt/h] Produzione ossigeno [ST lt/h] 500 Attacchi linea distribuzione 3/8 Purezza dell idrogeno 99,50% Temperatura ambiente [ C] 5-35 Ventilazione minima dell ambiente [Nm 3 /h] 25 19

20 Elettrolizzatore Calcolo efficienza L efficienza dell elettrolizzatore si calcola come rapporto tra l energia contenuta nel volume di idrogeno prodotto e l energia fornita per la realizzazione del processo di elettrolisi. Potenza assorbita: 7,4 kw Portata idrogeno: ST lt/h (@ 1 bar e 15 C) Potere calorifico idrogeno: 120 MJ/kg Densità idrogeno in condizioni standard: 0,085 kg/m 3 Energia prodotta in 1h: 1*0,085* = kj (2,83 kwh) Energia consumata in 1h: 7,4*3.600= kj (7,4 kwh) Efficienza: 38,3% 20

21 Elevare la purezza dell idrogeno Purificazione idrogeno Acqua demineralizzata Energia elettrica Per elevare la purezza dell idrogeno: il ricorso o meno a forme di filtrazione e purificazione dipende dall utilizzo finale. Elettrolizzatore H2 Filtro DEOXO Filtro Essicatore O2 Bassa pressione 21

22 Filtro DEOXO Il filtro DEOXO L ossigeno viene rimosso dall idrogeno allo stato di vapore nel momento in cui passa attraverso un letto di pallet di catalizzatore di metallo prezioso che è sostenuto su una griglia. L'ossigeno si combina con l'idrogeno per formare vapore di acqua secondo la reazione: 2H 2 +O 2 =2H 2 O (Vapore) La reazione è accompagnata dallo sviluppo di calore. Per ogni 0,1% di ossigeno nell idrogeno di processo impuro, il massimo aumento di temperatura teoretico sarà approssimativamente di 16 C. La vita del catalizzatore è indefinita a meno che non venga avvelenato da impurità come vapori acidi, spruzzi caustici, alogeni, vapore di mercurio che si combina con lo zolfo e solventi organici. La presenza di monossido di carbonio o di acqua può inibire temporaneamente l'attività di catalizzatore. Il pre-filtro evita che spruzzi caustici e umidità entrino in contatto col catalizzatore. Purezza idrogeno in uscita: 99,999%. 22

23 Filtro DEOXO Il filtro DEOXO (compreso con l elettrolizzatore) 23

24 Filtro Essiccatore Il filtro Essiccatore Il filtro essiccatore trattiene l umidità presente nell idrogeno in uscita dall elettrolizzatore: come materiale essiccante viene utilizzato o cloruro di calcio (CaCl 2 ) o setacci molecolari. (compreso con l elettrolizzatore) 24

25 Produzione idrogeno, purificazione e stoccaggio a bassa pressione (P&I) L elettrolizzatore viene azionato manualmente. Una volta raggiunta la pressione interna di 2,5 bar g, l idrogeno e l ossigeno possono iniziare a fluire dalla macchina. L idrogeno passa attraverso il filtro essicatore-deoxo, mentre l ossigeno viene scaricato nell ambiente esterno. L elettrovalvola EV viene aperta prima dell avviamento dell elettrolizzatore. 25

26 Produzione idrogeno, purificazione e stoccaggio a bassa pressione (P&I) All uscita del sistema essicatore-deoxo sono presenti tre strumenti di misura: un misuratore di pressione differenziale su orifizio tarato e due trasduttori di pressione e temperatura. L integrazione delle tre misure consente di calcolare la portata di idrogeno. 26

27 Produzione idrogeno, purificazione e stoccaggio a bassa pressione (P&I) Il serbatoio può essere connesso alla linea (elettrovalvole 1 e 2 aperte, 3 chiusa) o isolato dalla stessa ( 1e2chiuse,3aperta). Il sistema a 3 elettrovalvole garantisce contro le perdite quando il sistema è isolato: difatti, se vi sono trafilamenti dalle elettrovalvole 1 e/o 2, questi vengono convogliati tramite il ramo 3 aperto verso il condotto di venting. 27

28 Compressore idrogeno Marca: Hofer Modello: MKZ Dimensioni [cm] 120 x 130 x 150 Peso [kg] 700 Potenza elettrica assorbita [kw] 2,0 Allaccio elettrico 3 fasi +E 400 V / 50 Hz Regime di rotazione [rpm] 720 Incremento temperatura uscita [ C] Portata idrogeno [Nm 3 /h] 1,0 Pressione di mandata [bar] (fornitura) Perdite di gas [mbar l/s] 10-4 Temperatura ambiente [ C] 5 35 Tipologia di raffreddamento Acqua Portata acqua raffreddamento [lt/h] 100 Temperature in-out acqua raffreddamento [ ] Pressione circuito acqua raffreddamento [bar] 2 28

29 Perché la compressione dell idrogeno? Compressore idrogeno L idrogeno è l elemento con la più bassa densità volumetrica ed ha anche una limitata densità energetica volumetrica. Pertanto, lo stoccaggio dell idrogeno è conveniente se effettuato a pressioni elevate, in maniera da limitare le dimensioni volumetriche del serbatoio di stoccaggio, così come per aumentare la densità energetica del combustibile stoccato. Oltre un certo limite, però, l incremento di pressione non risulta più conveniente, poiché l incremento nei costi di compressione e per la realizzazione del serbatoio (maggiore è la pressione, maggiori gli spessori) non è compensato dal vantaggio dato dall incremento di densità energetica del combustibile stoccato. 29

30 Compressione idrogeno e stoccaggio in alta pressione (P&I) Il riduttore di pressione riduce la pressione a circa 2,5 bar g: se la pressione supera tale valore, il compressore va in blocco. Anche sull accumulo in alta pressione si ripete lo schema con le tre elettrovalvole, così come i tre strumenti per la misura di portata. a 1,5 bar g P&I «semplificato» del compressore 30

31 P&I compressore P&I «non semplificato» del compressore 31

32 P&I compressore P&I «non semplificato» del compressore Pressostato PS2: pressione minima in aspirazione (0,5 bar g) Pressostato PS4: rottura diaframma (5 bar g) Pressostato PS6: pressione massima alla mandata (37 bar g) Termostato TS1: temperatura massima alla mandata (200 C) Se vengono raggiunte queste condizioni, il compressore si spegne. 32

33 P&I compressore P&I «non semplificato» del compressore Flussostato FS2: se la portata non raggiunge una certa soglia (100 lt/h), il compressore non parte. Se il valore di soglia viene superato durante il funzionamento, il compressore si spegne. 33

34 Fuel cell principio di funzionamento 34

35 Fuel cell tipologie PEMFC PAFC MCFC SOFC Elettrolita Membrana polimerica Acido fosforico concentrato Miscela di sali fusi Ossido di zirconio Temperatura ottimale [ C] Pressione [bar] Taglia [kw] Rendimento 30-40% 38-45% 45-55% 45-60% Densità di potenza [mw/cm 2 ] Combustibile H 2 H 2 H 2,H 4,CO H 2,CH 4,CO Tollerabilità alle impurezze CO<10ppm CO<1% H 2 S,COS<50ppm H 2 S,COS<1ppm H 2 S<1ppm Prodotto commerciale Prototipi

36 Fuel cell rendimento elettrico AD: aeroderivative HD: heavy-duty IGCC: integrated gasification combined cycle USC: ultra super critical 36

37 Fuel cell possibili applicazioni Fuel cell applicazioni industriali Le celle a combustibile sono impiegate a livello industriale: - nel campo dei trasporti, per la realizzazione di vetture alimentate a idrogeno; - come unità di back-up da installarsi in luoghi remoti e/o isolati dalla rete; - per la produzione di energia in condizioni stazionarie (per applicazioni speciali, ad esempio missioni spaziali); Linee ferroviarie Off-grid application Fuel cell vehicle 37

38 Fuel cell Marca: Reli-On Modello: T-1000 Tipologia: PEM FC (fornitura e posa in opera) 38

39 Fuel cell Calcolo efficienza L efficienza della fuel cell si calcola come rapporto tra l energia elettrica prodotta e l energia fornita tramite il combustibile. Potenza prodotta: 1,2 kw Portata idrogeno consumato: 16,9 ST lt/min (@ 1 bar e 15 C) Potere calorifico idrogeno: 120 MJ/kg Densità idrogeno in condizioni standard: 0,085 kg/m 3 Energia prodotta in 1h: 1,2*3.600=4.320 kj (1,20 kwh) Energia consumata in 1h: (16,9/1000*60)*0,085* = kj (2,87 kwh) Efficienza: 41,8% 39

40 Fuel cell (P&I) Sulla linea di alimentazione alla fuel cell ci sono due riduttori di pressione, che portano la pressione sino a 0,5 bar g (pressione di alimentazione ottimale delle fuel cell). La riduzione di pressione è «spezzata» in due per consentire l installazione di strumentazione più economica e più precisa. SullalineaèinstallatounmisuratoremassicodiCoriolis:lamisuraè ridondante rispetto a quella realizzata dai tre strumenti prima descritti ed ha il solo scopo di confrontare una misura della medesima grandezza effettuata con due strumenti differenti. 40

41 Fuel cell: interfaccia con la rete elettrica Fuel cell logica funzionamento La fuel cell, se in funzione, può produrre energia elettrica che va a ricaricare un pacco batterie o, in alternativa, può immettere energia in rete tramite inverter. Quando la fuel cell non funziona, è possibile scaricare le batterie immettendo energia in rete tramite inverter. Queste tre opzioni sono alternative l una all altra. 41

42 Fuel cell: interfaccia con la rete elettrica Fuel cell quadro batterie 42

43 Corso di Impianti Meccanici Laurea Magistrale Modulo 2. Impianti per la produzione di energia termica, elettrica e frigorifera da energia solare Sezione 2.2 Impianti per la produzione, compressione e utilizzo di idrogeno Prof. Ing. Cesare Saccani Prof. Ing. Augusto Bianchini Dott. Ing. Marco Pellegrini Department of Industrial Engineering (DIN) - University of Bologna Viale Risorgimento 2, 40136, Bologna Italy