Metodologia di analisi del ciclo di vita di una cella a carbonati fusi

Di Giorgio, Ilaria (2006) Metodologia di analisi del ciclo di vita di una cella a carbonati fusi. [Tesi di dottorato] (Inedito)

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Abstract

In attuazione del protocollo di Kyoto, e sulla base delle decisione assunta successivamente dall'Unione Europea, l'Italia dovrà ridurre, entro il 2008-2012, le proprie emissioni di CO2 e degli altri gas serra nella misura del 6,5% rispetto ai valori del 1990 (555 milioni di tonnellate di CO2 equivalenti). Si è valutato che le emissioni dell’Italia hanno una traiettoria crescente che renderebbero oggettivamente difficile, con le sole risorse interne, il rispetto degli impegni di riduzione assunti al momento della ratifica del Protocollo di Kyoto e degli accordi di “burden sharing” presi con i 15 Paesi dell’Unione Europea. Il sistema ideale per la riduzione delle problematiche ambientali si basa su vettori energetici: • Ad impatto ambientale, locale e globale, tendente a zero; • Producibili da una pluralità di fonti, tra loro intercambiabili e disponibili su larga scala per le generazioni future; • Distribuibili preferibilmente in rete. L’idrogeno è un vettore capace di soddisfare questi requisiti. L’impatto ambientale locale negli usi finali è nullo o estremamente ridotto. Esso può essere prodotto da fonti fossili, con possibilità di ridurre l’impatto ambientale globale attraverso la cattura e lo stoccaggio permanente della CO2. Oppure può essere prodotto da fonti rinnovabili e da energia nucleare. Lo sviluppo dell’idrogeno come vettore energetico richiede però la predisposizione di una vasta gamma di tecnologie integrate. Infatti, pur essendo l’idrogeno già ampiamente utilizzato nell’industria, soprattutto nei processi della chimica e della raffinazione, la sua diffusione come vettore energetico richiede miglioramenti sostanziali, per resa e costi, delle tecnologie esistenti e verosimilmente anche lo sviluppo di tecnologie interamente nuove per renderne l’impiego economico ed affidabile in tutte le varie fasi della catena tecnologica. Lo studio effettuato si propone di valutare gli impatti ambientali e le prestazioni termodinamiche del sistema cogenerativo con cella a carbonati fusi e di confrontarli con un impianto di cogenerazione con turbina a gas. La cella a combustibile a carbonati fusi (MoltenCarbonateFuelCell) ha il grande vantaggio di produrre energia elettrica, sostituendo lo step della combustione con quello di una conversione chimica, by-passando le limitazioni del ciclo di Carnot, raggiungendo, così, un rendimento elettrico medio del 50% rispetto ad un rendimento elettrico medio di una macchina tradizionale, come la turbina a gas, che è del 25-35%. L’analisi fatta nella presente tesi è stata condotta utilizzando la metodologia dell’analisi del ciclo di vita (Life Cycle Assessment). Secondo la norma ISO 14040 la LCA “ è un procedimento oggettivo di valutazione dei carichi energetici ed ambientali relativi ad un prodotto, processo o attività, effettuato attraverso l’identificazione e la quantificazione dell’energia, dei materiali utilizzati e delle emissioni rilasciate nell’ambiente per valutarne l’impatto e per identificare e valutare le opportunità di miglioramento. La valutazione prende in considerazione l’intero ciclo di vita del prodotto, processo o attività, passando dall’estrazione e trasformazione delle materie prime, fabbricazione del prodotto, trasporto, uso e dismissione finale”. Molto di recente è stato sviluppato nella pratica di LCA anche lo smaltimento e la rigenerabilità dei materiali costituenti il prodotto, al fine di non trascurare i potenziali riutilizzi e riciclaggi di componenti o parti del prodotto. Per effettuare l’analisi dell’impatto ambientale associato al ciclo di vita, si è utilizzata la metodica SUMMA (Sustainability Multicriteria Multiscale Assessment). Essa nasce dall’esigenza di integrare i differenti punti di vista degli strumenti di indagine, al fine di determinare degli indicatori a monte del prodotto finito quali: -il consumo di risorse (determinato mediante MFA) e di energia (EEA), -la prestazione termodinamica (exergia), e -l’ecological footprint (emergia), per la quantificazione del costo ambientale; e indicatori a valle del processo relativi alle emissioni e ottenibili mediante il metodo CML2. L’unità funzionale cui la suddetta analisi è stata applicata è una monocella a combustibile a carbonati fusi di dimensioni 1250 x 650 mm (area 0,81 m2), in modo tale che fornisca una potenza di 1 kW. Lo studio del ciclo di vita è stato effettuato analizzando il processo di produzione della cella. Si parte dalla fase di dosaggio e di miscelazione degli ingredienti della sospensione necessaria alla preparazione dei componenti, fino alla fase di formatura su nastro, con la quale si arriva alla produzione degli elettrodi e della matrice allo stato “verde”, cioè lo stato delle componenti della cella che non hanno ancora subito il trattamento termico. Fino alla produzione del verde il processo produttivo della sezione attiva della cella è sempre lo stesso a meno di differenze riguardanti la composizione della sospensione e i tempi di colatura sul nastro. Successivamente la matrice non necessita più di alcun trattamento, mentre il catodo e l’anodo, invece, subiscono i trattamenti termici di deceratura e di sinterizzazione; l’anodo è sottoposto, anche, ai trattamenti di preossidazione e impregnazione. L’impianto è munito di un sistema a carboni attivi per il recupero dei solventi, che rappresenta l’ultimo step del processo produttivo di colatura su nastro. Successivamente si è passati allo studio dell’impianto di cogenerazione a cella a combustibile, ipotizzato avere una potenza di 2 MW elettrici e composto da 4 blocchi da 500 kW, ognuno dei quali composto da due moduli da 250, a loro volta formati da due stack di celle da 125 kW assemblati secondo la configurazione TWINSTACK “SERIE 500”, brevettata e prodotta da Ansaldo. Il tempo di funzionamento dell’ impianto è stato assunto pari a 40000 h operative, che rappresentano l’obiettivo di convenienza economica dell’investimento. La cella si è ipotizzato avere un rendimento elettrico pari al 50% e un rendimento relativo alla cogenerazione pari al 90%, quindi si è assunta l’ipotesi di recupero del calore, con un apposito scambiatore, dai gas esausti provenienti dal sistema cella. Per la produzione di energia sia elettrica che termica, si è ipotizzata un’operatività della cella intorno all’80% della potenza nominale, quindi un valore di energia elettrica prodotta pari a 64 milioni di kWeh e un valore di energia termica di circa 52 milioni di kWth, valori relativi a tutto il tempo di funzionamento della cella (40000ore). I risultati ottenuti mostrano che l’intensità materiale della produzione elettrica su scala globale è pari a 1903 g/kWeh. L’acqua rappresenta il 57%, l’aria il 28%, la parte abiotica il 15% dell’intensità materiale totale. Le efficienze dell’impianto sono molto elevate sia dal punto di vista energetico che exergetico. Per ciò che riguarda il contributo all’effetto serra l’impianto di cogenerazione con la cella a carbonati fusi rilascia circa 508 kg di CO2 per kWeh, il contributo relativo all’acidificazione delle precipitazioni è pari a 0.30kg di SO2 per kWeh. L’LCA è stata successivamente applicata all’impianto di cogenerazione presso il Centro Ricerche “Casaccia” di Roma per valutare gli impatti ambientali ed energetici e confrontarli con quelli inerenti ad un sistema di cogenerazione con cella a combustibile a carbonati fusi. La vita utile dell’impianto di cogenerazione con turbina a gas è stata ipotizzata pari a 20 anni. La turbina si è stabilito avere un rendimento elettrico medio del 25%. Per l’analisi della fase operativa della turbina a gas si è redatto un programma giornaliero di funzionamento, relativo ad un intero anno, grazie alla notevole mole di informazioni registrate dal sistema di acquisizione dati dell’impianto, che permette di quantificare la produzione dell’energia elettrica e termica, il consumo di gas naturale e i fumi in funzione della temperatura giornaliera e in funzione del carico impostato. Inoltre si è redatto il programma di utilizzo giornaliero del sistema per richiamare all’attenzione come la turbina risenta, in maniera significativa, della variazione della temperatura esterna. Si è ottenuta un’operatività della turbina intorno all’80% della potenza nominale per l’intero anno dell’ipotizzato funzionamento, quindi un valore dell’energia elettrica annua prodotta di circa 16 milioni di kWeh e un valore di energia termica annua di circa 35 milioni di kWth. Gli indicatori esaminati mostrano nel complesso una prestazione migliore del sistema cella a combustibile a carbonati fusi. Si può affermare che: • L’impianto CCCF già fornisce ottime prestazioni rispetto ad un impianto tradizionale di pari potenza, ma mentre l’impianto con turbina a gas è un impianto a tecnologia avanzata e già collaudata, l’impianto CCCF è un impianto pilota, ancora allo stato di prototipo e, quindi con ampi margini di miglioramento. • I miglioramenti del sistema cella devono essere incentrati, oltre che sulle efficienze, sulla produzione dello stack di celle, perché ciò non comporterebbe miglioramenti in termini di efficienze elettriche, ma ridurrebbe le intensità materiali ed emergetiche. • Le dimensioni dell’impianto CCCF potrebbero rappresentare un problema, perché al raddoppio della potenza installata anche le dimensioni dell’impianto quasi raddoppiano. Per ottenere un impianto più compatto, sarebbe opportuno aumentare la densità di corrente delle celle. • Il sistema turbina dipende dal carico e dalla temperatura. Il sistema cella risulta, invece, non essere funzione di tali parametri. Ha una notevole modularità. Inoltre emette un minore quantitativo di inquinanti. • La produzione di calore co-generativo è più efficiente nell’impianto a cella a combustibile.

Tipologia di documento:Tesi di dottorato
Parole chiave:Idrogeno, Celle a combustibile, LCA
Settori scientifico-disciplinari MIUR:Area 09 Ingegneria industriale e dell'informazione > ING-IND/11 FISICA TECNICA AMBIENTALE
Coordinatori della Scuola di dottorato:
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Tuccillo, Raffaele
Tutor della Scuola di dottorato:
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Reale, Francesco
Stato del full text:Accessibile
Data:2006
Numero di pagine:348
Istituzione:Università degli Studi di Napoli Federico II
Dipartimento o Struttura:Energetica, Termofluidodinamica applicata e Condizionamenti ambientali (DETEC)
Tipo di tesi:Dottorato
Stato dell'Eprint:Inedito
Denominazione del dottorato:Ingegneria dei Sistemi Meccanici
Ciclo di dottorato:XVIII
Numero di sistema:1032
Depositato il:30 Luglio 2008
Ultima modifica:04 Febbraio 2009 09:41

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