Le celle a combustibile per la generazione distribuita: esperienze del CESI

Le celle a combustibile per la generazione distribuita: esperienze del CESI Mauro Scagliotti CESI BU Processi per la Generazione Tecnologie di Generazione Segrate (Milano) Celle a combustibile e sviluppo sostenibile Forli 29/11/2002

Schema della presentazione Nuovi scenari nella generazione di potenza elettrica Le nuove tecnologie per la generazione distribuita (GD) Quali celle a combustibile per la GD? Azioni in corso al CESI (progetti GENDIS e DISPOWER) Criticità Opportunità Conclusioni

Nuovi scenari nella generazione

Cosa si intende per generazione distribuita La Generazione Distribuita (GD) consiste d impianti di generazione elettrica di piccola e media taglia (tipicamente minore di 30 MW), localizzati vicino ai consumatori e ai centri di carico. Impianti connessi alla rete di distribuzione e/o isolati dalla rete (stand alone). La vicinanza ai carichi offre la possibilità di un migliore e più razionale utilizzo delle fonti energetiche primarie, rinnovabili e non, ed una riduzione delle emissioni.

Generazione centralizzata vs distribuita Fonte: J.N. Swisher, Cleaner energy, greener profits: fuel cells as cost effective distributed energy resources,rocky Mountain Institute 2002

Tecnologie per la GD Una possibile classificazione delle tecnologie per la GD: - tradizionali (motori alternativi: diesel e a gas, turbine a gas); - innovative (microturbine, celle a combustibile e ibridi); - a fonte rinnovabile (sistemi fotovoltaici, turbine eoliche, turbine idroelettriche, biomasse).

La GD in Italia: presente e scenari futuri 7414 MW sistemi GD fine 2000 (10% su totale 75500 MW): Impianti Convenzionali : 4162 MW Idroelettrici : 2197 MW Biomasse RSU : 685 MW Eolici e fotovoltaici : 370 MW Scenario 2010 (alta crescita, PIL 2,7%): Nuovi impianti per 35000 MW di cui 6000-7000 MW GD non rinnovabile e 3000-4300 MW GD rinnovabile (eolico) Quota GD 2010: 18000 MW (16% del totale) Scenario 2010 (bassa crescita, PIL 1,1%): Nuovi impianti per 17000 MW e quota GD 13% del totale.

Quali celle a combustibile per la GD? Impianti ad elevata efficienza elettrica da 200 kw a 40 MW celle a carbonati fusi (MCFC), a ossidi solidi (SOFC) e ibridi con microturbina a gas. Microcogenerazione domestica e residenziale (da 0,5 a 5 kw) celle a membrana polimerica (PEM) e a ossidi solidi (SOFC)

Celle a combustibile e cogenerazione Le celle a combustibile sono particolarmente attraenti per applicazioni cogenerative distribuite di elettricità e calore: - alta efficienza elettrica anche su taglie medio piccole (35% - 50% per impianti < 1 MW; 70% per ibridi >20 MW); - disponibilità di acqua calda e/o vapore per usi industriali, riscaldamento, ecc. con elevate efficienze complessive; - ridottissimo impatto ambientale e possibile inserimento in tessuto urbano; - possibile uso di un ampia varietà di combustibili.

Celle a combustibile e cogenerazione Progetto Pilota per un riscaldamento più pulito. Partner: Ministero Ambiente Ansaldo ABB Italia Cadif AEM Politecnico Milano Università Ferrara Università Genova ENEA

Esperienze CESI su celle a carbonati fusi Decennale esperienza su celle a carbonati fusi con AFCo: decine di celle da laboratorio, 3 stack da 1 kw, 1 impianto da 100 kw realizzato e provato nel 1999. Stazione di prova MCFC da 100 kw presso sede CESI di Segrate: 7 mesi di sperimentazione cicli on load/stand by caldo connessione alla rete cogenerazione metano e gas da carbone ridottissimo impatto ambientale

Esperienze del CESI: il progetto GENDIS CESI ha avviato nel 2000, all interno della Ricerca di Sistema del settore elettrico, un progetto pluriennale sulla Generazione Distribuita allo scopo di: valutare potenziale di penetrazione in Italia analizzare effetti della leva dei prezzi monitorare e caratterizzare tecnologie di generazione Tra le tecnologie di generazione innovative: celle a combustibile PEM, MCFC, SOFC e microturbine

Esperienze del CESI: il progetto GENDIS Nuova area sperimentale per ibrido MCFC 125 kw (AFCo) microturbina a gas (Bowman) presso sede CESI di Milano. Opere civili (1/2002) Vessel pressurizzabile (5/2002)

Esperienze del CESI: il progetto GENDIS Valutazione delle potenzialità della tecnologia PEM per usi cogenerativi domestici e residenziali. Attività sperimentali su stack PEM Nuvera. Realizzazione stazione di prova PEM da 5 kw accoppiata a stoccaggio di H 2 in idruri metallici da 3 e 9 Nm 3 : prove su cella (vs p, U ox, carico) prove su idruri (ciclaggio) accoppiamento cella-idruri...

Esperienze del CESI: il progetto GENDIS Valutazioni energetiche ed economiche su un modulo PEM da 250 kw (tipo P2B Alstom Ballard) nella realtà italiana (tariffe 1/1/2001). Pareggio per costo impianto poco superiore a 1000 /kw el se: durata almeno 40000 ore; costi manutenzione contenuti; gestione in base a fabbisogno termico (periodici cicli on/off). P2B Alstom Ballard nel campus dell Università di Liegi (B)

Esperienze del CESI: il progetto GENDIS Partecipazione di ENEL al consorzio guidato da RWE per la sperimentazione impianto ibrido SOFC/GT PH300 al Meteorit Park di Essen (SOFC Siemens-Westinghouse) Caratteristiche progetto potenza elettrica: 302 kw el potenza termica: 147 kw th efficienza η el = 55% efficienza η tot = 81,6% pressione: 3,5 bar

Esperienze del CESI: il progetto DISPOWER Partecipazione al progetto DISPOWER - Distributed Generation with high penetration of renewable energy sources (37 partner coordinati da ISET (D)) - FP5 CEE. Realizzazione rete locale in Bassa Tensione presso CESI: generatori (PEM, ibrido MCFC microturbina, microturbine, fotovoltaico, diesel,...) sistemi di accumulo, sistemi di power quality, carichi. Dinamica e transitori, modellazione, simulazione di condizioni realistiche su rete BT con GD.

Criticità Principi funzionamento semplici (monocella)... impianti più complessi (la cella è solo una parte). Pochi costruttori a livello mondiale... prototipi difficilmente disponibili costo per kw el non competitivo La scelta del combustibile e le sue conseguenze. Incertezze normative e tariffarie. Scarsa diffusione conoscenze e competenze.

La sfida principale: ridurre il costo del kw el Oggi Il costo del kw elettrico installato PEM 10000 /kw PAFC 4500 /kw MCFC 10000 /kw SOFC 20000 /kw /kw el Obbiettivi ingresso mercato GD 1000-1500 /kw lungo termine 300-400 /kw

Come raggiungere l obbiettivo sistemi semplici processi di fabbricazione produzione di massa... Costi /kw el Prestazioni di cella densità di potenza efficienza elettrica durata e stabilità...

La scelta del combustibile Situazione attuale impianti stazionari >10 kw Fonte: Fuel Cell Today Riforma di idrocarburi: soluzione di breve-medio periodo economicamente accettabile (infrastrutture esistenti).

La scelta del combustibile Sistema trattamento combustibile (rimozione impurezze, riforma ed eventuale abbattimento CO) critico. Zolfo, alogeni, NH 3, particolato, da eliminare sempre Celle operanti ad alta temperatura (MCFC e SOFC) più flessibili: - migliore integrazione termica tra cella e sistema trattamento combustibile; - limiti di tolleranza alle impurezze più alti; - utilizzo del monossido di carbonio.

La scelta del combustibile Possibile utilizzo di gas da discariche, digestori anaerobici, gasificatori di biomasse e carbone, ma Cella a combustibile PAFC da 200 kw a Portland (Oregon) ampio spettro di composizioni (CH 4, CO, H 2 ) e impurezze: soluzioni su misura. Sistema di trattamento del gas in uscita dal digestore anaerobico

Opportunità dal VI Programma Quadro CEE Finanziamenti CEE su celle a combustibile: 120 M tra 1997-2002 Previsti in sostanziale aumento tra 2003 e 2006 (R. Prodi, ottobre 2002) Espressioni di interesse su Medium and Long Term RTD on Sustainables Energy Systems in FP6-CEE: 20% su celle a combustibile (focus su riduzione costi, applicazioni per GD e trasporti) 30% su energie rinnovabili (tra cui biomasse) Azioni interdisciplinari incoraggiate da CEE: ad es. H 2 /syngas da biomasse per celle a combustibile

Opportunità per i fornitori Pochi costruttori di celle, ma indotto ampio e vario in forte sviluppo nel breve - medio periodo: materie prime e materiali speciali; componentistica per laboratori e impianti pilota; sistemi di gestione e controllo;... Società operanti sulle materie prime e costruttori di componenti stanno investendo centinaia di M$. Mercato materiali speciali per celle: stima >10 9 $ nel 2010.

Opportunità per i primi utilizzatori Tecnologia di generazione innovativa necessità sperimentazione nella realtà concreta ll ruolo chiave dei primi utilizzatori (aziende elettriche e del gas, enti locali, istituti di ricerca, ecc.): condivisione dei rischi con il costruttore necessario approccio realistico! acquisizione di competenze su nuova tecnologia installazione gestione energy management feedback su normativa in definizione (IEC, UNI, )

Conclusioni Opportunità di sviluppo e diffusione da cambiamenti in atto nel mercato elettrico. Necessario sforzo congiunto di costruttori, istituti di ricerca e primi utilizzatori per superare barriere: tecnologiche, normativo-tariffarie, psicologiche, e contribuire alla diffusione ed accettazione di questa nuova tecnologia.