Il centro di ricerca sulle celle a combustibile

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1 Il centro di ricerca sulle celle a combustibile Michele Bianchi Dipartimento Ingegneria Industriale Ciri Energia e Ambiente ALMA MATER STUDIORUM UNIVERSITA di BOLOGNA

2 Il gruppo di ricerca Dipartimento di Ingegneria Industriale (DIN) Prof. Ing. Giorgio Negri di Montenegro Prof. Ing. Antonio Peretto Prof. Ing. Michele Bianchi Ing. Andrea De Pascale Ing. Francesco Melino Ing. Lisa Branchini Ing. Elisa Valentini Ing. Roberta Vecci Ing. Ugo Mencherini Ing. José Manuel Subinas Dipartimento di Ingegneria Elettrica (DEI) Prof. Ing. Carlo Alberto Nucci Prof. Ing. Alberto Borghetti Ing. Fabio Napolitano Ing. Davide Messori

3 Inizio studio teorico su H2 & FC e Analisi di mercato Sviluppo temporale delle attività STUDI PRELIMINARI BANCO PROVA ANALISI SPERIMENTALE Analisi prestazioni termodinamiche stack PEM CHP (collaborazione con Arcotronics) Studio di fattibilità Sistema APU basato su PEMFC (collaborazione con YdroXel) Acquisizione bombole H2 e Stack da 5 kw Strumentazione banco prova Primo avviam. cella Collegam. sistema di accumulo Strumentazione per prestaz. CHP C-RIO Collegam. in isola Automatic scheduling system, SOC control (EMS) Studi su purge e ageing della cella Valutazioni prestazioni CHP Integraz. con PV

4 Collaborazioni del gruppo di ricerca Nel corso della sua attività, il gruppo di ricerca ha sviluppato diverse collaborazioni con realtà sia industriali che universitarie e di ricerca, nell ottica di implementare proficuamente attività e progetti comuni, sia di ricerca di base che applicata. Arcotronics: fornitura di un modulo PEMFC da 5 kw e studi di fattibilità; YdroXel: contratto di ricerca per applicazione nautica; Tozzi Renewable Energy: sviluppo di progetti di ricerca comuni; IMEM CNR Parma: collaborazione su sistemi FER avanzati; ITAE - CNR Messina: collaborazione nell ambito del progetto H2Ra; Tecnopoli RER Rete HTN: partecipazione al progetto Tecnopoli; CIRI Energia e Ambiente: attività svolte all interno dell UO Bioenergie.

5 Re Re Analisi di mercato Le prime attività sperimentali del laboratorio sono cominciate grazie alla collaborazione con l azienda YdroXel. Obiettivo: studiare un nuovo sistema di generazione di potenza per la nautica; Motivazione: si decise di puntare sulle FC in ragione della silenziosità della tecnologia (rispetto a generatori tradizionali) APU Ind APU Dom. Fork lift FC batteria MCI Piattaforme Autocarri UPS Ind. Portatili Auto UPS Dom. Barche Moto APU on board Golf car Rt Rt

6 battery charge reduction (kwh) Electric power (kw) Il dimensionamento Dimensionamento del sistema di accumulo elettrochimico Request Pacco batterie 4 5 kw FC load data N P j p i,j operating scenario T T net M t i FC data P 0 P min T w FC min 1 kw FC random number generation typical load profiles R i number of FC start-ups FC on-off operating sequence P FC i B i minimum battery size hydrogen requirements Min. battery size (1 kw FC) 1 kw FC 2 kw FC 5 kw FC time (h) Min. battery size (5 kw FC) Min. battery size (2 kw FC) Pacco bombole time (h)

7 Scelta della componentistica Nell ambito delle attività sperimentali del gruppo di ricerca, e in particolare nella realizzazione del banco prova, un momento fondamentale è stato rappresentato dall acquisizione dello stack (Arcotronics).

8 Tank Tank Ottimizzazione della componentistica Tra le attività portate avanti dal gruppo di ricerca va ricordata l attività di ottimizzazione del compressore aria al catodo di un sistema PEMFC. 0.6 th Inverter 0.5 Exhaust Gas H 2 PRV PRV H 2O Anode H 2O PRV Cathode C EE F Air el design dead end valve H 2 (discharge) Exhaust Gas stack cooling circuit P 0.2 IRE HX1 15 C 50 C EE 0.1 compressore a portata costante compressore a portata variabile potenza elettrica netta del sistema [kw]

9 Il progetto del banco prova

10 Il banco prova SISTEMA DI CONTROLLO Banco prova Banco prova F.E.R. AC BUS Sistema Carico elettrico: attivo e reattivo Carico termico F. E.R. = PV emulator Sist. alim. fuel:bombole H2 Sistema di controllo: NI_cRIO Trasformatori OLTC Sensori di misura FUEL 2 SORGENTE 2... FUEL n-esimo... SORGENTE n-esima Rete esterna Sistema... Sistema di Accumulo Termico ENERGIA TERMICA 1 Sorgente attiva: PEMFC Sist. Acc.elettrico: Batterie Sistema accumulo termico Inverter

11 Il banco prova

12 Stack voltage [V] efficiency Analisi sperimentale Test N.1 55 Test N.2 Test N.3 Test N OLD purge programming logic NEW purge programming logic 50 Test N.5 Test N Test N.7 confidence line Stack current [A] Curva di polarizzazione della FC PFC [W] Andamento dell efficienza della FC al variare della logica di spurgo

13 I prossimi passi: il progetto SAPE Finanziatori del progetto: - Regione Emilia Romagna; - Provincia di Ravenna; - Comunità Europea FER NON PROGRAMMABILI Partner coinvolti: - Tozzi Renewable Energy; - Università di Bologna; - CNR SISTEMI ENERGETICI PROGRAMMABILI CARICO SISTEMI DI ACCUMULO

14 Il «nuovo» banco prova L obiettivo è proseguire l attività implementando il sistema con: - Elettrolizzatore; - Sistema di accumulo di H2; - Altra FER AC BUS Fonte energetica rinnovabile non programmabile PV Inverter Rete Elettrica Esterna Cooling Air Outlet Electrolyzer FC Inverter Inverter bidirezionale Electronic Load P-7 Water Tank Valvola di non ritorno Water pump Reaction Air Inlet Filtro Cooling Air Inlet Reaction air blower Exhaust gas outlet MEA Elettrovalvola Cooling air fan H 2 Outlet Cooling Air Outlet Batterie Dispositivo di raffreddamento Cooling Air Inlet Regolatore di portata P-19 H2 bus MEA H2 outlet Sistema di accumulo H2 H2 Backup Valvola di riduzione Rack O2 outlet Bombole a Idruri metallici Bombole a 200 bar

15 I progetti attivi Il gruppo di ricerca ha diversi contratti attivi nell ambito dei sistemi a cella a combustibile e degli studi sulla filiera dell idrogeno. Regione Emilia Romagna: fondi POR-FESR; Provincia di Ravenna: contratto commerciale per attività di ricerca applicata; Progetto SAPE: in collaborazione con TRE, su 2 tranche POR-FESR; Tecnopoli RER Rete HTN: partecipazione al progetto Tecnopoli.

16 Pubblicazioni del gruppo su H 2 e FC Bagnoli M, Bianchi M, De Pascale A, Peretto A, D Anzi A,Valutazione delle prestazioni di un impianto cogenerativo di piccola taglia basato su di una cella a combustibile di tipo PEM, 58 Congresso Annuale ATI Padova,15-19 Settembre 2003 Bagnoli M, De Pascale A, Performances Evaluation of a Small Size Cogenerative System Based on a Pem Fuel Cell Stack, GT , Proc. of ASME TURBOEXPO 2005, Power for Land, Sea, and Air, June 6 9, 2005, Reno-Tahoe, Nevada, USA M. Bagnoli, B. Belvedere, M. Bianchi, A. Borghetti, A. De Pascale, M. Paolone, A Feasibility Study Of An Auxiliary Power Unit Based on a PEM Fuel Cell For on-board Applications, POSTER EFC , 1st European Fuel Cell Technology and Applications Conference: EFC05, December 14-16, 2005, Rome, Italy M. Bagnoli, B. Belvedere, M. Bianchi, A. Borghetti, A. De Pascale, M. Paolone, A Feasibility Study of an Auxiliary Power Unit Based on a PEM Fuel Cell for On-Board Applications, Transaction of the ASME, Journal of Fuel Cell Science and Technology, November 2006, Volume 3, Issue 4, pp B. Belvedere, M. Bianchi, A. Borghetti, A. De Pascale, M. Di Silvestro, M. Paolone, DSP-Controlled Test Set-up for the Performance Assessment of an Autonomous Power Unit Equipped with a PEM Fuel Cell, Proc. of the International Conference on CLEAN ELECTRICAL POWER, Capri Italy, May 21st-23rd, 2007 B. Belvedere, M. Bianchi, A. Borghetti, A. De Pascale, M. Di Silvestro, M. Paolone, Experimental characterization of an autonomous power unit equipped with a PEM fuel cell, 62 o Congresso Annuale ATI, Salerno,11-14 Settembre 2007 Bhargava R. K., Bianchi M., Campanari S., De Pascale A., Negri di Montenegro G., Peretto A., High Efficiency Gas Turbine Based Power Cycles A Study of the Most Promising Solutions: Part 1 - A Review of the Technology, GT , Proceedings of ASME Turbo Expo 2008: Power for Land, Sea and Air GT2008, June 9-13, 2008, Berlin, Germany Bhargava R. K., Bianchi M., Campanari S., De Pascale A., Negri di Montenegro G., Peretto A., High Efficiency Gas Turbine Based Power Cycles A Study of the Most Promising Solutions: Part 2 - A Parametric Performance Evaluation, GT , Proceedings of ASME Turbo Expo 2008: Power for Land, Sea and Air GT2008, June 9-13, 2008, Berlin, Germany Premiato con il Best Paper Award 2008 dall'industrial & Cogeneration Committee dell' IGTI delle ASME B. Belvedere, M. Bianchi, A. Borghetti, M. Paolone, A Microcontroller-based Automatic Scheduling System For Residential Microgrids, 2009 IEEE Bucarest PowerTech, 28 June - 2 July 2009, Bucharest, Romania Bhargava R. K., Bianchi M., Campanari S., De Pascale A., Negri di Montenegro G., Peretto A., A Parametric Thermodynamic Evaluation Of High Performance Gas Turbine Based Power Cycles, Transaction of the ASME, Journal of Engineering for Gas Turbines and Power, Vol. 132, pag /14, February 2010 Belvedere B., Bianchi M., De Pascale A., Experimental analysis of the cogenerative performance of a pem fuel cell based energy system, Third International Conference on Applied Energy May Perugia, Italy Belvedere B., Bianchi M., Borghetti A., De Pascale A., Paolone M., Vecci R., Experimental analysis of a pem fuel cell performance at variable load with anodic exhaust management optimization, Proceedings of EFC2011 European Fuel Cell - Piero Lunghi Conference & Exhibition, December 14-16, 2011, Rome, Italy Belvedere B., Bianchi M., Borghetti A., De Pascale A., Paolone M., Vecci R., Experimental analysis of a PEM fuel cell performance at variable load with anodic exhaust management optimization, in press, International Journal of Hydrogen Energy

17 Tematiche di ricerca sviluppate 1. Analisi di mercato in collaborazione con realtà industriali e imprenditoriali; 2. Dimensionamento di sistemi energetici complessi con fuel cells (sistemi CHP e cicli ibridi FC-TG) mediante codici numerici commerciali e/o autoprodotti; 3. Ottimizzazione della componentistica di un sistema FC (blower, valvola, spurgo); 4. Realizzazione e strumentazione di un banco prova sperimentale, per la caratterizzazione delle prestazioni elettriche e termiche di sistemi di tipo innovativo per la produzione di energia distribuita (comprendenti FC, CHP, sistemi di accumulo dell energia, fotovoltaico, ORC, ecc.); 5. Sviluppo del banco (integrazioni elettriche e sistema di controllo), con l introduzione di metodologie di gestione dei flussi energetici (EMS), per un sistema integrato fuel cell + sorgenti esterne (rete, generatori el., PV, ), anche in relazione ai carichi richiesti (controllo dei carichi).

18 Grazie per l attenzione Prof. Ing. Michele Bianchi (DIN Unibo) [email protected]

19 Il progetto SAPE L attività di ricerca avanzata nell ambito dei sistemi integrati consiste nella progettazione e realizzazione di una stazione di prova per un sistema integrato con potenza compresa fra 1 e 5 kw, caratterizzato da generazione da differenti fonti energetiche e da accumulo, per applicazioni stazionarie. "La stazione di prova permetterà di raggiungere diversi obiettivi nell ambito della ricerca sperimentale. In particolare, consentirà di: Caratterizzare le prestazioni energetiche e le capacità operative del sistema al variare del carico, delle condizioni ambientali e delle ore di funzionamento; Simulare interruzioni di corrente osservandone i transitori all interno dei range temporali critici permettendo il testing del sistema sia quando esso funziona in isola di carico sia quando è connesso ad una rete elettrica esterna; Testare e dimostrare il funzionamento di una mini rete intelligente che comprenda vari sistemi energetici di generazione di primo mercato." Esempio di banco prova per sistemi a FC

20 I filoni di ricerca su H 2 e FC dei Tecnopoli Il Gruppo di ricerca collabora ad una attività comune nell ambito dei sistemi FC e della filiera dell idrogeno, all interno del progetto dei Tecnopoli della Regione Emilia Romagna. OR 1 - Stazione di prova per sistemi a cella combustibile Ente di ricerca: CIRI Energia e Ambiente Responsabile scientifico: Prof. Michele Bianchi OR 2 - Sistemi di generazione mobile e stazionaria alimentati a idrogeno Ente di ricerca: DET - CNR Responsabile scientifico: Ing. Vincenzo Antonucci OR 3 - Sistemi per la produzione, l arricchimento e la separazione di H2 Ente di ricerca: CIRI Energia ed Ambiente Responsabile scientifico: Prof. Francesco Luca Basile OR 4 - Stazione di prova per combustori, separatori e riutilizzo CO2 Ente di ricerca: DET - CNR Responsabile scientifico: Ing. Vincenzo Antonucci OR 5 - Analisi ambientale, energetica ed economica dei sistemi sviluppati Ente di ricerca: CIRI Energia ed Ambiente Responsabile scientifico: Prof. Andrea Contin 2