Analisi Exergetica Ed Ottimizzazione Termoeconomica Di Cicli Ibridi SOFC-GT

Il lavoro di tesi è focalizzato sulla modellazione, l’analisi termodinamica ed economica di cicli ibridi basati sulla tecnologia delle celle a combustibile ad ossidi solidi. L’analisi dei cicli ibridi è stata sviluppata gradualmente: in una prima fase si è proceduto ad effettuare un’attenta analisi bibliografica sui lavori disponibili in letteratura sul tema celle a combustibile e loro integrazione in impianti ibridi; in un secondo momento si sono selezionati i modelli di simulazione ritenuti più affidabili sia per ala cella a combustibile che per i componenti tradizionali dell’impianto; tali modelli sono stati in seguito implementati in un codice di simulazione sviluppato in MATLAB; questo strumento è stato infine utilizzato per approfondire l’analisi del funzionamento dell’impianto mediante: analisi exergetica, analisi di funzionamento a carico parziale, ottimizzazione termoeconomica e modellazione 1-D dello stack. Sulla base delle ricerche bibliografiche effettuate durante il primo anno dell’attività di dottorato, sono stati analizzati in dettaglio i più comuni modelli miranti a predire le prestazioni della cella a combustibile ad ossidi solidi (SOFC) e dell’intero impianto. In particolare, un’analisi accurata è stata effettuata per selezionare un modello elettrochimico che fosse allo stesso tempo veloce affidabile e robusto. In molti casi, infatti, i parametri e le equazioni riportate in letteratura sono contradditori e l’inevitabile carenza di dati sperimentali rende ancora più marcata l’esigenza di sviluppare un siffatto modello. In definitiva, è stato elaborato un codice di calcolo che è in grado di calcolare ognuna delle perdite tipiche delle celle SOFC (attivazione, concentrazione, ohmica) al variare della densità di corrente e dei più comuni parametri costruttivi ed operativi (diametro, spessore anodo catodo, elettrolita, temperatura, pressione, fattore di utilizzazione del combustibile, etc.). I risultati forniti dal modello sono stati validati utilizzando le curve di polarizzazione riportate dalla Siemens- Westinghouse . Lo sviluppo del modello elettrochimico ha rappresentato solamente un primo passo verso l’elaborazione di un codice di calcolo relativo al componente cella a combustibile. Tale codice, scritto in MATLAB, è basato su bilanci di massa, energia, carica e moli sui volumi di controllo presi in esame. In maniera analoga sono stati sviluppati codici di calcolo riguardanti tutti i componenti dell’impianto ibrido preso in esame. Quest’ultimo è costituito principalmente da: mixer, valvole di laminazione, prereformer, combustore, scambiatori di calore plate-fin gas-gas, scambiatori di calore plate-fin gas-acqua, scambiatori di calore gas-gas tubo in tubo,cella a combustibile ad ossidi solidi con internal reforming, compressore aria, compressore combustibile, turbina a gas. Particolare attenzione è stata posta agli ultimi tre componenti importando e scalando mappe di funzionamento di reali compressori e turbine. Tutti gli altri componenti sono stati simulati sulla base dei consueti bilanci di massa, energia, moli ed entropia. Ad ogni componente corrisponde una opportuna function di MATLAB che è in grado di calcolare tutti gli output (temperatura, pressione e composizione chimica) nonché potenze termiche e meccaniche scambiate, entropia generata ed exergia distrutta. I componenti sede di reazioni chimiche (prereformer, internal reforming e combustore) sono stati simulati in base a considerazioni di cinetica chimica e di equilibrio chimico; in particolare per il reformer e per il prereformer è stato condotto in parallelo il calcolo cinetico e quello all’equilibrio per discernere quale dei due meccanismi sia quello regnante; nel combustore si sono assunte tutte le reazioni complete ed all’equilibrio. Infine, le proprietà dei fluidi evolventi nell’impianto sono state calcolando implementando dettagliati modelli di vapore surriscaldato per l’acqua e di calore specifico variabile con la temperatura, per tutte le altre sostanze. Le simulazioni effettuate su tali impianti hanno dimostrato che essi sono in grado di raggiungere efficienze elettriche superiori al 65 % rendendo comunque disponibile circa il 10 % dell’LHV per le utenze termiche a 350 ° C. L’analisi exergetica ha dimostrato, inoltre, che i componenti sedi delle maggiori irreversibilità sono il combustore e la cella ad ossidi solidi con internal reforming. Tale risultato evidenzia, anche in questa tipologia impiantistica, che le maggiori irreversibilità sono dovute ai processi chimici. Tali simulazioni sono state effettuate su differenti tipologie impiantistiche ed i risultati hanno mostrato che la soluzione che garantisce la maggiore efficienza è quella basata sulla tecnologia SOFC a ricircolo anodico che utilizza il vapore d’acqua disponibile all’uscita della SOFC per sostenere le reazioni di prereforming e di internal reforming. Tale soluzione, oltre a garantire elevate efficienze, consente di conseguire minori costi impiantistici in quanto evita il costo del generatore di vapore a recupero, della pompa e dell’acqua demineralizzata da introdurre nell’impianto. È ovvio che tale soluzione necessiti di un accurato progetto e gestione della cella a combustibile allo scopo di mantenere un valore dello S/C maggiore di 2, necessario ad evitare problemi di deposizione di carbonio sull’anodo della cella. Il modello di simulazione di cui sopra è stato arricchito, definendo dettagliate funzioni di costo per tutti i componenti dell’impianto ed in base ad esse è stata avviata una procedura di ottimizzazione termoeconomica dell’impianto ibrido mediante un algoritmo genetico. I risultati provenenti da tale procedura di ottimizzazione hanno evidenziato gli enormi margini di miglioramento dell’impianto in termini di costi di investimento: la procedura di ottimizzazione è stata infatti in grado di definire una configurazione progettuale cui compete la stessa efficienza elettrica di quella iniziale, ma con un costo di investimento ridotto circa della metà. I risultati ottenuti da questa procedura verranno utilizzati per confrontare e validare i valori ricavati mediante l’innovativo ILGO, proposto dal prof. von Spakovsky.