• celle a combustibile
• fuel cells
• analisi tecnico economica
• techno-economic analysis
• sistemi ibridi
• hybrid systems
• exergia
• exergy

Le strategie di generazione di energia comprendono la generazione centralizzata e distribuita (in loco) di elettricità. Le centrali elettriche centralizzate possono influenzare l'ambiente attraverso vari mezzi, comprese le emissioni di inquinanti atmosferici, l'uso e lo scarico dell'acqua e l'uso del suolo. Inoltre, quando l'elettricità viene generata centralmente e trasmessa su lunghe distanze all'utente finale, si verificano perdite lungo il percorso. Di conseguenza, maggiore attenzione è stata rivolta alle strategie di generazione di energia in loco. Comuni sistemi di generazione distribuita nei settori residenziale e commerciale includono solare fotovoltaico, piccole turbine eoliche, celle a combustibile, combustione di biomassa o cofiring, incenerimento di rifiuti solidi urbani, microturbine a gas o motori alternativi. Tuttavia, le fonti di energia pulita sono intrinsecamente intermittenti, utilizzabili solo durante brevi periodi e più vulnerabili ai gravi cambiamenti climatici locali in specifiche regioni. Pertanto, introducono carichi transitori indesiderati nel profilo di domanda netta del carico della rete elettrica. I sistemi ibridi che combinano celle a combustibile con turbine a gas o motori a combustione interna potrebbero migliorare la flessibilità delle reti elettriche. Questa ricerca mira a valutare la capacità e la flessibilità di un sistema ibrido a celle a combustibile a ossidi solidi con motore a combustione interna alimentato da diversi gas naturale, biogas e idrogeno. Le prestazioni del sistema sono valutate da un punto di vista energetico, exergetico e tecnico-economico. L'analisi energetica coinvolge la stima dell'efficienza del sistema che influisce direttamente sui costi e sulle emissioni inquinanti. L'analisi exergetica consente l'identificazione e la determinazione delle perdite effettive nel sistema, fornendo suggerimenti per potenziali miglioramenti. L'analisi tecnico-economica mira a stabilire la fattibilità economica e la affidabilità degli investimenti. Un'analisi di sensibilità è eseguita per valutare l'impatto delle diverse condizioni operative sulle prestazioni del sistema ibrido. L'analisi di sensibilità è effettuata variando separatamente la pressione operativa e la densità di corrente operativa della cella. L'efficienza del sistema e gli indici economici, come il costo livellato dell'energia e il valore attuale netto, sono confrontati per il sistema ibrido alimentato da gas naturale, biogas e idrogeno, e per altri diffusi sistemi di generazione distribuita. Lo studio è condotto secondo due approcci diversi. Nel primo studio, la potenza netta del sistema è mantenuta costante al valore di progettazione di 125 kWe, mentre la pressione della cella avria in un range. Nella seconda analisi, i parametri geometrici della cella a combustibile, il numero di celle e l'utilizzo del combustibile nelle celle sono mantenuti costanti, mantenendo dimensioni fisse per il dispositivo, e la densità di corrente operativa è variata per diverse pressioni operative. Il software ModelBuilder di gPROMS ha facilitato l'esecuzione di simulazioni stazionarie per condurre analisi di sensibilità. Di seguito sono riportate le principali conclusioni identificate. Un sistema ibrido a celle a combustibile a ossidi solidi e motore a combustione interna raggiunge un beneficio massimo dalla pressurizzazione. Questo risultato deriva da un equilibrio tra potenza parassita e i benefici delle prestazioni della cella. Nel caso di sistemi alimentati a gas naturale e biogas da 125 kW, l'efficienza elettrica massima è raggiunta a 4,7 e 4,8 bar, rispettivamente. Per il sistema alimentato ad idrogeno, l'efficienza elettrica ottimale è ottenuta nell'intervallo tra 1 e 2 bar, a causa della dimensione significativa del compressore dell'aria di raffreddamento. Per un sistema da 125 kW, le configurazioni a gas naturale e biogas hanno dimostrato di raggiungere efficienze elettriche di circa il 68%. Ciò si riflette nelle emissioni di biossido di carbonio, che sono più di 1,5 volte inferiori rispetto alle tecnologie convenzionali di generazione distribuita di energia a gas naturale, come microturbine a gas e motori alternativi. Il costo di produzione dell'elettricità per i sistemi SOFC-ICE alimentati a gas naturale e biogas è inferiore rispetto ad altre tecnologie di generazione distribuita di energia. Il sistema alimentato ad idrogeno mostra un LCOE più alto principalmente attribuibile all'elevato costo di produzione dell'idrogeno. Tuttavia, la competitività di questa tecnologia è stata migliorata attraverso l'utilizzo di incentivi per la produzione di idrogeno verde, allineandola più strettamente ad altre alternative di generazione di energia. La configurazione a idrogeno è influenzata significativamente dal vincolo imposto dalla temperatura massima consentita. Poiché il reformning interno è assente, l'unico meccanismo di raffreddamento si basa sul flusso d'aria. Mantenere la temperatura al di sotto di 620 °C richiede un volume sostanziale di aria di raffreddamento, comportando un elevato assorbimento di potenza parassita e influenzando i costi dei componenti del sistema. Nelle reazioni che avvengono nelle celle a combustibile, c'è una minore produzione di entropia associata rispetto alla combustione ordinaria, a causa della natura meno dissipativa dell'ossidazione del combustibile. Inoltre, il gas di coda dell'anodo è più diluito e mostra una minore affinità rispetto ai combustibili tipici utilizzati nei motori. Ciò porta a una riduzione della distruzione di exergia rispetto a quella che avviene nel motore. Concludendo, il sistema ibrido a celle a combustibile a ossidi solidi e motori alternativi rappresenta un'alternativa ad alta efficienza per decarbonizzare i settori industriale e commerciale.

Power generation strategies encompass centralized and distributed (on-site) electricity generation. Centralized power plants can impact the environment through various means, including air pollutant emissions, water use and discharge and land use. Furthermore, when electricity is generated centrally and transmitted over long distances to the end-user, losses occur along the way. Consequently, increased attention has been directed to the on-site energy generation strategies. Common distributed generation systems in residential and commercial sectors include solar photovoltaic, small wind turbines, fuel cells, biomass combustion or cofiring, municipal solid waste incineration, micro gas turbine or reciprocating engines. However, these clean energy sources are inherently intermittent, useable only during short periods, and more vulnerable to severe local climate change in specific regions. Thus, they introduce undesired load transient to the net load demand profile of the electrical grid. Hybrid systems combining fuel cells with gas turbines or internal combustion engines could enhance the flexibility of electric grids. This research aims to assess the capability and the flexibility of a hybrid system solid oxide fuel cell internal combustion engine to be powered by natural gas, biogas and hydrogen. The system performance is evaluated from energetic, exergetic and techno-economic viewpoints. The energy analysis involves the estimation of the system efficiency which directly impacts cost and pollutant emissions. The exergy analysis enables the identification and determination of actual losses in the system, providing insights and suggestions for potential improvements of the system. The techno-economic analysis aims to establish the economic feasibility and the investment reliability. A sensitivity analysis is carried out to assess the impact of the different operating conditions on performance of hybrid system. The sensitivity analysis is performed by varying separately the stack operating pressure and the stack operating current density. System efficiency and economic indices, such as the levelized cost of energy and the net present value are compared for the hybrid system fed by natural gas, biogas and hydrogen, and for other widespread distributed power generation systems. The study is carried out according with two different approaches. In the first study, the system net power is kept constant at the design value of 125 kWe, and the stack operating pressure is varied, in the second analysis the SOFC geometry parameters, the number of cells and the in-cell fuel utilization are kept constant, maintaining a fixed size for the device, and the operating current density is varied for different operating pressures. The gPROMS ModelBuilder software facilitated the execution of steady-state simulations for conducting sensitivity analyses. Below key findings identified are reported. A solid oxide fuel cell internal combustion engine hybrid system reaches a maximum benefit from pressurization. This results from an equilibrium between balance of plant parasitic loads and the performance benefits of the stack. In the case of 125 kW natural gas and biogas-powered systems, the peak electrical efficiency is achieved at 4.7 and 4.8 bar, respectively. For the hydrogen-powered system the optimal electrical efficiency is obtained within the range of 1 and 2 bar, attributed to the substantial size of the cooling air compressor. For a 125-kW system, natural gas and biogas configurations have proven to achieve electrical efficiencies of approximately 68%. This is reflected in carbon dioxide emissions, which are more than 1.5 lower compared to conventional natural gas distributed power generation technologies, such as micro gas turbine and reciprocating engines. The production cost of electricity for natural gas and biogas-powered SOFC-ICE systems is lower when compared to other distributed power generation technologies. The hydrogen-powered system exhibits a higher LCOE primarily attributed to the existing high production cost of hydrogen. However, the competitiveness of this technology has been enhanced through the utilization of green hydrogen production incentives, aligning it more closely with other power generation alternatives. The hydrogen configuration is significantly influenced by the constraint imposed by the maximum allowable temperature. Since internal reforming is absent, the sole cooling mechanism relies on the airflow. Keeping the temperature below 620 °C necessitates a substantial volume of cooling air, resulting in elevated parasitic power consumption, and impacting the balance of plant cost. In fuel cell operation, there is less associated entropy production compared to ordinary combustion, due to the less dissipative nature of fuel oxidation. In addition, the anode tail gas is more diluted and exhibits lower affinity compared to typical fuels used in engines. This leads to a reduction in exergy destruction during engine operation. Finally, solid oxide fuel cell reciprocating engines hybrid system represent a high efficiency alternative in order to decarbonize industrial and commercial sectors.