Fuel Cells

FACOLTA’ DI INGEGNERIA
UNIVERSITA’ DEGLI STUDI DI ROMA TOR VERGATA
Laboratori di
Fisica Tecnica Ambientale
DIPARTIMENTO DI
INGEGNERIA DELL’IMPRESA
QUARTO CONGRESSO NAZIONALE
DELLA ASSOCIAZIONE ITALIANA GESTIONE ENERGIA - AIGE
Sotto l’Alto Patronato della Presidenza della Repubblica
Centro Congressi Villa Mondragone
Via Frascati 51, Monte Porzio Catone,
Roma, 26-27 Maggio 2010
L’esperienza Ansaldo sulle Fuel Cells
Flavio Federici
Unità Sviluppo Business e Gestione
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I targets dell’Europa
• al 2020 - 20/20/20
– 20% riduzione delle emissioni GHG
– 20% aumento dell’efficenza energetica
– 20% quota di energie rinnovabili
• Al 2050
– 80% riduzione delle emissioni GHG nei paesi industrializzati – (G8 L’Aquila)
• dall’80% di dipendenza dai combustibili fossili all’80% di riduzione
delle emissioni GHG in 40 anni
– Il nostro sistema energetico da reinventare
– Passaggio a una “low carbon economy”
• Il SET PLAN ha individuato le Fuel Cell e l’Idrogeno tra le tecnologie in grado di
contribuire in modo significativo a questa visione dello scenario energetico futuro
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3
Scenari energetici per riduzione delle emissioni
Gli scenari di riduzione delle emissioni di CO2
richiedono tecnologie altamente efficienti e un crescente apporto da fonti rinnovabili e CCS
Source IEA - WEO 2009
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> OECD+: OECD & other non-OECD EU countries
Other Major Economies (OME): Brazil, China, Middle East, Russia & South Africa
 Other Countries (OC): all other countries, including India
Fuel Cells – una storia di oltre 160 anni
1843: prima “gas battery” sperimentale
1845-60: applicazione alla rete telegrafica Americana
1969: la NASA include le Fuel Cell nel programma
Apollo per produzione elettricità e acqua
1993:Il primo veicolo a Fuel Cell (Ballard - Canada)
William Grove's drawing of an experimental
"gas battery" from an 1843 letter
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2004: Ansaldo Fuel Cells avvia la prima fabbrica
pilota in Europa per produrre Molten Carbonate
Fuel Cells
I vantaggi delle Fuel Cells
•
Sono sistemi di conversione dell’energia altamente efficienti > 50%
•
Adatte ad applicazioni di cogenerazione,trigenerazione e CCS
•
Flessibili all’uso dei combustibili ( CH4, H2, biogas..)
•
Modulari
•
Producibili in serie
•
Basse emissioni (non nocive)
in quanto non c’è combustione
•
Silenziose
• Diversificate (PEM, SOFC,MCFC)
per usi nel trasporto, nelle applicazioni
residenziali, nelle installazioni stazionarie
Le Fuel Cells sono una risposta ai problemi energetici ed ambientali e costituiscono una
innovazione chiave applicate alla mobilità e alla generazione stazionaria
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Le applicazioni delle Fuel Cells e H2
•
Trasporti: auto, buses ,infrastruttura idrogeno ( stazioni di
rifornimento)
•
Sistemi di generazione per cogenerazione e trigenerazione
( waste to energy, biomasse, biogas...)
•
Sistemi di generazione per CCS integrati con centrali di generazione
•
Sistemi per uso residenziale CHP
•
Accumulo energia ( H2) e generazione (FC) integrata con fonti rinnovabili
(eolico, fotovoltaico)
• Sistemi UPS per telecomunicazioni
• Carrelli elevatori
• Micro FC portatili, batterie
Impianto MCFC
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Centrale a ciclo
combinato
Il caso ANSALDO FUEL CELLS e la CCS
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La Società
Ansaldo Fuel Cells (AFC) è impegnata nel settore
delle Fuel Cells da oltre 2 decenni. Dopo una fase di
R&D e dimostrazione, AFC è nel corso di un
programma di sviluppo con l’obiettivo di
industrializzare e commercializzare la tecnologia
proprietaria delle MCFC nei settori della Carbon
Capture e Sequestration (CCS) e Generazione
Distribuita GD).
Unità Locale - Bosco Marengo (AL)
Area sperimentale con 2 impianti
MCFC
Oltre 33,000 di esercizio su un
impianto ( di cui 12,000 ore con un
unico stack MCFC).
Sede - Genova
Progettazione MCFC stack
Ingegneria di sistemi e impinati
Laboratori e attività R&D
20 Brevetti in 15 Stati
Oltre 900 anni/uomo di know-how su
MCFC
25 Progetti presentati al“Company
Innovation Award”
Ansaldo Energia, società di
Finmeccanica, controlla Ansaldo Fuel
Cells.
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Linea produzione pilotaTerni
Produzione stacks MCFC
Capacita 3 MW/a
Incrementabile a 10 MW/a
Area: 11000 m2 (4500
m2 indoor)
Lo Stack MCFC e il programma di sviluppo
Lo stack MCFC nell’ultimo decennio (da 25 kW a 135 kW)
Sono in corso sviluppi per .taglia adeguata
ad applicazione classe MW e CCS
Le “Fuel Cells” convertono
direttamente (con reazioni
elettrochimiche) l’energia di un
combustibile in energia elettrica, in
ASSENZA di COMBUSTIONE
Principali vantaggi delle MCFC
Efficienza elevata
 > 50% ( MW class)
Emissioni trascurabili
Ridotte emissioni di CO2
Assenza di particolato e SOx
Silenziosità
Assenza di combustione,
Cogenerazione, “Trigenerazione”
Calore disponibile ad alta Temp.
“Trigenerazione” possibile
Programma
Modularità
A partire da 250 kW fino a Multi -MW Sviluppo
2010-2014
Peculiarità
Start-up, indipendente dalla rete
( appl. remote, isolate)
Flessibilità combustibili (multifuel)
Applicazione efficace per CCS
Utilizzo come generatore di H2
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Classe MW
MCFC
• Sviluppo MCFC classe MW
- Target: Classe MW come “building block” per impieghi CCS e GD
- Milestones: Realizzazione e test nuovo stack MCFC
Sistema dimostrativo classe MW (pre-commerciale)
MCFC
per cattura
CO2
• Sviluppo sistemi MCFC per cattura CO2
- Target: Dimostrazione di sistemi MCFC applicati a CCS
- Milestones: Realizzazione e test di proof of concept
Primi prototipi in retrofit a impianti reali
finanziamenti : azionisti, fondi europei, programmi nazionali, regioni
Cattura CO2 mediante Molten Carbonate Fuel Cells (MCFC)
MCFC-CCS
CELLE A COMBUSTIBILE A CARBONATI FUSI - MCFC
Corrente elettrica
e-
e-
Ingresso idrogeno
Ingresso ossigeno
e-
H2
O2
e-
H2
• Separazione (cattura) > 70% di
CO2
presente
nei
fumi,
considerando la potenza CO2-free
prodotta in aggiunta dalle MCFC
e- O2
e-
CO3=
CO2
CO2
H2O e-
e-
e-
e-
Uscita acqua
e calore
Ingresso CO2
CO2
Anodo
catodo
Elettrolita
CO2
• Separazione di CO2 senza
penalizzazioni
energetica;
incremento
della
potenza
prodotta
CO2
Molten Carbonate FUEL CELLS (MCFC) – principio operativo
• Solutione modulare, permette di
incrementare
nel
tempo
la
capacità di separazione, con
investimenti progressivi
• Le MCFC utilizzano anche
combustibili
rinnovabili,
migliorando
ulteriormente
il
bilancio di CO2
Alimentando il catodo con fumi derivanti da un processo di combustione, le
MCFC producono uno stream con CO2 concentrata allo scarico dell’anodo
per una separazione molto più efficace.
Il processo “attivo” di separazione genera energia elettrica, con l’effetto di
avere un bilancio positivo in termini energetici per l’impianto di generazione
principale.
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BIOGAS O GAS
NATURALE
Impiego in cicli combinati e centrali
a carbone
Post - combustione ( CCGN)
Le MCFC si integrano come retrofit
della centrale a ciclo combinato a gas
a naturale. Elevata compatibilità tra
caratteristiche fumi da trattare e MCFC
IGCC da impianti a carbone
L’integrazione MCFC/IGCC su impianti
a carbone consente elevati livellli di
cattura CO2 utilizzando turbine a gas
affidabili e in grado di operare a basso
tenore di H2 nel combustibile
H2
REFORMER
ESAUSTI DI
COMBUSTIONE
ANODO
MCFC
CATODO
MCFC
SEPARATORE A
MEMBRANA
co2
AL CAMINO
Impianti sperimentali e attività
Linea produzione pilota MCFC – Terni
Area impianti sperimentali – Bosco
Marengo (AL)
Attività specifiche su MCFC-CCS
In corso tests di laboratorio e su stack MCFC di piccola taglia Ongoing tests from LAB
level to sub-scale MCFC stack level (co-finanziamento FCH JU)
Nelll’area sperimentale impianti a Bosco Marengo sono in previsione tests completi di
separazione CO2 mediante MCFC.
Impianti CCS pilota da realizzarsi in accoppiamento a fumi da centrale e unità di
cogenerazione per taglie di MCFC sub-MW (domanda bando PON 2010)
MW-class: MCFC stack e BoP del sistema di classe MW come building block per
grandi impianti CCS è in corso di sviluppo (domanda bando PON 2010)
Sperimentazione celle/stack piccola taglia– labs. Genova
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Le prospettive di mercato
I due principali segmenti di mercato low carbon per MCFC sono :
Carbon Capture and Sequestration (CCS) e Generazione Distribuita(GD)
MCFC: Mercato potenziale “Captive” per CCS
Output (MW)
MCFC: European DG Market size (>0,3 MW)
70
60
50
40
30
20
10
0
Fonte: F&S 2009
Fonte: Ansaldo 2009
Output (MW)
Il mercato potenziale “Captive” per CCS: Oggi
sarebbe sufficiente un solo digit % delle nuove
unità di Ansaldo Energia con un sistema MCFCCCS per raggiungere circa 100 MW/a di MCFC,
referenziando il nuovo prodotto e favorendo una
rapida riduzione dei costi come risultato dei
grandi volumi di vendita del settore CCS.
Le ricadute della CCS contribuiscono a rendere le FC
una tecnologia competitiva per la GD, anche in termini
di costi, alimentate sia da combustibili fossili, sia da fonti
rinnovabili e impieghi waste-to-energy ( biogas da
digestione anaerobica), evidenziando anche gli altri
vantaggi in termini di efficienza, emissioni, silenziosità,
utilizzo per cogenerazione e trigenerazione rispetto a altri
sistemi di GD ( miniturbine, motori a combustione).
Lo sviluppo di prodotto e i finanziamenti
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I finanziamenti nel settore FC&H2
•
In Europa è stata avviata nel 2008 la FCH JU con circa 1000 M€ ( 50/50 EC e
Industria)di investimenti fino al 2015 per attività di R&D, dimostrazione, supporto e
avvio piani commerciali.
•
In alcuni Stati Membri sono stati avviati programmi analoghi, su tutti l’esempio
della Germania con il programma NIP su FC&H2 da 1,400 M€ (50/50 Governo e
Industria) fino al 2016.
•
In Italia tra i vari strumenti si citano: Industria 2015, recentemente il PON ricerca
e competitività ( in fase di valutazione), la ricerca di sistema e risorse a livelli
regionale e/o incentivi di vario genere (certificati verdi, bianchi, tariffa
omnicomprensiva ...).
•
Un programma nazionale per supportare questa fase fondamentale dello sviluppo
potrebbe aprire la strada ad una fase commerciale supportata da incentivi e/o
policy in relazione ai targets di efficienza e ambientali. ( e.g. Decalogo sulla
sostenibilita di Roma, London 2012 Sustainability Policy)
•
L’Italia ha eccellenze nelle tecnologie Idrogeno e Fuel Cells sia in campo
industriale, sia nel settore dei centri di ricerca ed università, Ansaldo Fuel Cells
non è un caso isolato.
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AEN Genoa Headquarters
Via N. Lorenzi, 8
16152 Genova - Italia
Tel + 39 010 6551
Fax + 39 010 6556209
www.ansaldoenergia.it
AFC Genoa Headquarters
Corso Perrone,25
16152 Genova-Italia
Tel. +39 010 655 8369/8311
Fax + 39 010 6558104
E-mail: [email protected]
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Scenari energetici per riduzione delle emissioni
Gli scenari di riduzione delle emissioni di CO2
richiedono tecnologie altamente efficienti e un crescente apporto da fonti rinnovabili e CCS
Source IEA - WEO 2009
> OECD+: OECD & other non-OECD EU countries
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17 Other Major Economies (OME): Brazil, China, Middle East, Russia & South Africa
 Other Countries (OC): all other countries, including India