Utilizzo della simulazione del sistema per valutare l’integrazione di una cella a combustibile a ossido solido (SOFC) con un riformatore di metano per alimentare una nave da carico.

Di Patrice Montaland e Benoit Honel

Introduzione

Nell’attuale corsa globale alla decarbonizzazione dell’energia, considerando un obiettivo di zero netto nel 2050, la mobilità sta affrontando la sfida di trovare soluzioni realizzabili e convenienti. Tutte le modalità di trasporto sono interessate. Secondo l’Organizzazione Marittima Internazionale, il trasporto marittimo internazionale è responsabile di circa il 2-3% delle emissioni globali di CO2.

Celle a combustibile a ossido solido (SOFCs) e gas naturale o metano (CH₄) i reformer possono essere utilizzati nelle navi per fornire un sistema di generazione di energia efficiente e pulito. Le sfide non mancano, tra cui considerazioni sui costirequisiti infrastrutturali e progressi tecnologici. Con l’evoluzione della tecnologia, queste sfide potrebbero essere affrontate, rendendo i sistemi di celle a combustibile più praticabili per le applicazioni marine e utilizzando una cella a combustibile a ossido solido con un CH₄ riformatore in una nave potrebbe generare vantaggi significativi:

• Le SOFC sono note per la loro elevata efficienza nella conversione del carburante in elettricità. Possono raggiungere un’efficienza fino al 60%, che è significativamente superiore a quella dei motori a combustione tradizionali.
• Le SOFC producono elettricità attraverso un processo elettrochimico, che è intrinsecamente più pulito rispetto alla generazione di energia basata sulla combustione. Ciò si traduce in minori emissioni di sostanze inquinanti come NOx, SOx e particolato.
• Quando sono accoppiate con un CH₄ reformer, che produce idrogeno dal metano, le SOFC possono funzionare con l’idrogeno, un carburante pulito che genera solo vapore acqueo come sottoprodotto quando viene utilizzato nella cella a combustibile. Ciò contribuisce a ridurre le emissioni di gas serra rispetto ai sistemi tradizionali basati sui combustibili fossili.
• Le SOFC possono funzionare con diversi combustibili, tra cui idrogeno, metanolo, gas naturale e altri idrocarburi. L’uso di un CH₄ Il reformer consente di estrarre l’idrogeno dal metano, offrendo flessibilità e adattabilità a diverse fonti di carburante.
• Le celle a combustibile funzionano in modo silenzioso rispetto ai motori tradizionali, contribuendo a creare un ambiente più silenzioso e confortevole sulla nave. Questo è particolarmente importante per le navi passeggeri e le navi militari, dove la riduzione del rumore è una priorità.
• Le SOFC hanno meno parti mobili rispetto ai motori tradizionali, con conseguenti minori requisiti di manutenzione e una maggiore durata operativa. Questo potrebbe portare a un risparmio sui costi nel corso della vita del sistema.
• Le SOFC possono essere configurate per la cogenerazione, producendo contemporaneamente elettricità e calore. Anche una microturbina a gas può essere collegata a questo sistema. Il calore di scarto generato durante il processo elettrochimico può essere utilizzato per varie applicazioni a bordo, come il riscaldamento e la desalinizzazione dell’acqua. Può anche essere utilizzato per riscaldare il CH₄ riformatori che consumano calore per generare idrogeno. In questa configurazione, l’efficienza del sistema può facilmente raggiungere il 90%.
• L’alta densità energetica e l’efficienza delle SOFC possono contribuire a una maggiore autonomia e a una maggiore resistenza delle navi, rendendole adatte a viaggi a lunga distanza senza frequenti rifornimenti.

Un modello di nave da carico alimentata da una SOFC combinata con un reformer CH4 è stato costruito utilizzando lo strumento di simulazione di sistema Simcenter Amesim. Grazie a questo modello, è possibile simulare il comportamento della nave e del suo sistema di propulsione, considerando diverse rotte e condizioni del mare. Aiuta ad esempio a valutare il consumo di carburante della nave e la quantità di CO2 che verrà generata dalla nave. Può anche essere utilizzato per prevedere e comprendere meglio le interazioni tra i componenti del sistema. Infine, le simulazioni possono essere utilizzate per valutare le opzioni di progettazione che possono aiutare a ridurre il consumo energetico e le emissioni di CO2.

Presentazione del modello

Condizioni del mare e resistenza della nave

Per le nostre simulazioni, la rotta marittima è definita in base a un viaggio da Oslo (Norvegia) a Le Havre (Francia). Le condizioni di navigazione sono definite come mostrato nell’immagine sottostante. La nave pesa 8000 tonnellate, è lunga 75 metri e larga 9 metri, e richiede quasi 4 giorni per compiere il viaggio.

Il modello navale Simcenter Amesim prevede il movimento longitudinale della nave, considerando la sua massa e la resistenza alla navigazione dovuta all’attrito. Questo tiene conto della densità e della viscosità variabile dell’acqua, del vento e delle onde.

Elica

Motore elettrico e sua trasmissione

Un controllore PID viene utilizzato per definire la richiesta di coppia del motore con lo scopo di ottenere la migliore corrispondenza tra la velocità della nave e la velocità target.

Un convertitore DC/DC integrato tra la cella a combustibile a ossidi solidi e il motore mantiene la tensione del motore a 800 V.

Una trasmissione con un rapporto impostato su 12 è integrata tra l’elica e il motore per adattare la velocità e la coppia tra i due sottosistemi.

Cella a combustibile a ossido solido (SOFC)

Nel nostro modello elettrochimico, l’idrogeno viene estratto dal CH₄ utilizzando un processo di reforming (con un pre-riformatore esterno e un reforming interno che avviene all’interno della cella a combustibile). Di conseguenza, l’anodo della SOFC viene alimentato con una miscela di gas che comprende H₂ma anche CH₄CO, CO_2, e H₂O (come vapore).

Il modello Simcenter Amesim Solid Oxide Fuel Cell prevede la tensione della cella a combustibile utilizzando le equazioni elettrochimiche di Butler Volmer, considerando le perdite di attivazione, ohmiche e di concentrazione. Cattura l’impatto delle condizioni operative, come la temperatura, la pressione e la concentrazione del reagente. Inoltre, poiché il monossido di carbonio è presente nel carburante, può anche subire un’ossidazione elettrochimica all’anodo, contribuendo alla reazione complessiva della cella.

Le perdite di calore della cella a combustibile sono previste considerando il potenziale termoneutrale, rendendo possibile la valutazione del comportamento termico transitorio della SOFC.

Nel nostro modello, la SOFC è composta da 1500 celle con un’area attiva di 1000 cm.² per ciascuno di essi. È dimensionato per fornire una potenza elettrica fino a 1,2 MW. Si noti che qui consideriamo una pila globale equivalente, che molto probabilmente sarebbe composta da 4 pile individuali da 300 kW nella configurazione reale.

Nota: il modello di cella a combustibile a ossido solido di Simcenter Amesim può essere utilizzato per simulare anche un elettrolizzatore a ossido solido e lo stesso sottosistema è in grado di eseguire le reazioni reversibili.

CH₄ riformatore

All’interno della camera del reformer, il metano e il vapore vengono riscaldati e fatti passare su un letto di catalizzatore, solitamente contenente nichel. Questo catalizzatore facilita la reazione, soprattutto alle basse temperature. Le reazioni chimiche principali coinvolte sono:

CH₄ + H₂O <-> CO + 3H₂

CH₄ + 2H₂O <-> CO₂ + 4H₂

Queste reazioni sono endotermiche, ossia richiedono calore. La miscela di metano e vapore viene riscaldata ad alte temperature (in genere tra 700°C e 1.000°C) per attivare queste reazioni.

Oltre alla produzione di idrogeno, si forma anche monossido di carbonio (CO) come sottoprodotto della reazione. La presenza di CO è indesiderabile in molte applicazioni a causa della sua tossicità e del potenziale di avvelenamento dei catalizzatori. Pertanto, di solito si ricorre a fasi aggiuntive per spostare l’equilibrio verso una maggiore produzione di idrogeno e una minore quantità di CO. Nel nostro modello, si considera anche una reazione esotermica moderata di spostamento acqua-gas:

CO + H₂O <-> CO₂ + H₂

Poiché le reazioni di reforming sono globalmente endotermiche (cioè assorbono calore), per mantenere le temperature di reazione richieste, il calore viene tipicamente fornito al reformer, attraverso riscaldatori esterni o bruciando una parte dell’idrogeno o del metano prodotti. Nel Simcenter Amesim CH₄ modello di reformer, è possibile attivare la reazione di combustione del metano per simulare una reazione autotermica. Tuttavia, nel nostro modello navale, preferiamo considerare che il reformer utilizzi le perdite di calore della SOFC per mantenere la sua temperatura nell’intervallo richiesto.

Nel nostro modello, per massimizzare l’efficienza e le prestazioni complessive del sistema, combiniamo 2 reattori di reforming. Il 1^st esterno alla SOFC, estrae la maggiore quantità di H₂ dal CH₄. Poi, un reformer interno integrato con l’anodo SOFC può raffinare ulteriormente il flusso di carburante per massimizzare il contenuto di idrogeno e consumare quasi completamente il metano.

Riformatore CH₄ e fornitura di vapore

La quantità di metano che deve essere fornita al reformer dipende dalla quantità di idrogeno che deve essere fornita alla SOFC per eseguire le reazioni elettrochimiche. Nel nostro modello, la portata di metano che alimenta il reformer è definita dalla corrente elettrica erogata dalla cella a combustibile, considerando un utilizzo mirato del carburante del 75%.

La portata di vapore erogata al reformer è calcolata dalla portata di metano e dal rapporto vapore-carbonio.

La miscela di metano e vapore dovrebbe essere a 150°C prima di arrivare a uno scambiatore di calore utilizzato per estrarre il calore dalla miscela di gas in uscita dall’anodo SOFC. In questo modo, la miscela di metano e vapore viene preriscaldata prima di raggiungere il reformer, migliorando l’efficienza globale del reformer.

Alimentazione dell’aria

Come per il metano e il vapore, la quantità di aria che viene fornita al sistema, sul lato catodo della SOFC, è prevista dalla corrente elettrica erogata dalla cella a combustibile, sulla base di un rapporto stechiometrico di 1,5 per l’ossigeno.

Inoltre, per ridurre le perdite di calore e migliorare l’efficienza globale del sistema, uno scambiatore di calore viene integrato nel sistema di alimentazione dell’aria per riscaldare il flusso d’aria prima che venga fornito al catodo della SOFC. Questo può essere fatto estraendo il calore dal flusso d’aria proveniente dall’uscita del catodo. Tuttavia, in alcune condizioni, soprattutto in caso di richieste di potenza elevate, la temperatura del sistema potrebbe superare il valore massimo previsto, fissato a 950°C. Per evitare tale situazione, è integrato un sistema di bypass con una valvola controllata. Ciò consente di ridurre la temperatura della cella a combustibile fornendo aria fresca anziché aria calda alla SOFC.

Gestione dell’acqua

Come discusso in precedenza, abbiamo definito la nostra architettura di sistema per estrarre il calore da alcuni componenti e fornirlo ad altri, con l’obiettivo di migliorare l’efficienza complessiva del sistema. Un altro punto di interesse è la gestione dell’acqua.

Infatti, da un lato, il reformer consuma acqua con la sua reazione di reforming a vapore. E dall’altro lato, le reazioni elettrochimiche della SOFC producono acqua.

Quindi, per rendere il sistema autonomo per quanto riguarda l’acqua, è possibile recuperare l’acqua che viene scartata all’uscita della SOFC, immagazzinarla e utilizzarla per alimentare il reattore del reformer.

Simulazione e analisi

Risultati globali

La simulazione del viaggio di 4 giorni da Oslo a Le Havre è molto rapida (pochi secondi su un computer portatile di base). Questo renderebbe molto facile eseguire molte simulazioni per valutare diversi scenari o diverse opzioni di progettazione.

Per quanto riguarda il nostro caso, possiamo innanzitutto convalidare che la catena cinematica e il suo controllo consentono di navigare alla velocità prevista.

Possiamo anche ottenere facilmente i seguenti risultati al termine della simulazione:

• Distanza di viaggio: 700 nmi
• Durata del viaggio: 330564 s (3 giorni, 19 ore, 49 minuti e 24 secondi)
• CH₄ consumo: 6.13 t
• CH₄ consumo per miglio nautico: 8,77 kg/nmi
• CO₂ emissioni: 15.1 t
• CO₂ emissioni per miglio nautico: 21,6 kg/nmi
• Efficienza del sistema globale (da CH₄ serbatoio all’elica, basato su CH₄ HHV): 42%

Riformatore esterno

Il modello della nave può prevedere la temperatura media, la pressione, il bilancio termico e le portate di massa del reformer esterno. Questi si evolvono dinamicamente durante il viaggio, a seconda della quantità di idrogeno che deve essere prodotta dalla SOFC.

Le reazioni chimiche endotermiche richiedono fino a 540 kW di calore. La temperatura della miscela di gas, all’interno del reattore, rimane tra i 700°C e i 920°C, consentendo alle reazioni chimiche di avvenire correttamente.

Le simulazioni possono anche prevedere la composizione della miscela di gas all’uscita della camera a gas. Possiamo quindi verificare che:

• Forniamo acqua in eccesso al reattore durante tutto il viaggio: la concentrazione di vapore rimane vicina al 25%.
• La parte più importante del metano viene consumata per produrre idrogeno. CH₄ la concentrazione rimane tra l’1% e il 3%.
• La miscela di gas è composta principalmente da idrogeno, con una composizione solitamente compresa tra il 53% e il 56%.
• CO e CO₂ sono i sottoprodotti della reazione, con una concentrazione di CO che può superare il 14%.

Cella a combustibile a ossidi solidi (SOFC)

La tensione della cella rimane generalmente vicina a 0,7V. Si prevede dal potenziale di Nernst delle reazioni con H₂ e CO e le cadute di tensione dovute all’attivazione e alle perdite ohmiche. I potenziali di Nernst operativi sono piuttosto bassi rispetto ai potenziali di Nernst in condizioni standard, poiché sono influenzati dall’elevata temperatura della SOFC. Per quanto riguarda le perdite di attivazione, quelle legate all’O2 sono quelle predominanti.

La potenza elettrica erogata dallo stack può raggiungere quasi 1,2 MW. Il calore generato dalle perdite ha lo stesso ordine di grandezza. In questo contesto, l’efficienza termodinamica della SOFC rimane leggermente superiore al 50%.

La temperatura della cella a combustibile rimane vicina ai 950°C.

A causa delle reazioni della cella a combustibile e del processo di reforming interno, il contenuto di metano è vicino allo 0% all’uscita dell’anodo, quando la miscela di gas contiene ancora un eccesso di idrogeno (circa il 7%). Il contenuto di CO è vicino al 2%. Potrebbe essere necessario un reattore aggiuntivo per ridurre questo valore. La concentrazione di CO₂ è vicino al 16% e la concentrazione di vapore acqueo è vicina al 75%.

Sul lato del catodo, anche l’aria viene fornita in eccesso. La concentrazione di ossigeno all’uscita è vicina all’8%.

Scambi di calore e gestione termica

Il nostro modello di sistema può aiutare a comprendere meglio le portate di calore, gli scambi di calore e i transitori termici nel sistema di celle a combustibile. Questo è infatti fondamentale per mantenere la SOFC e il reformer al giusto intervallo di temperatura per operare in modo efficiente. Le perdite di energia possono anche essere potenzialmente recuperate per migliorare l’efficienza complessiva del sistema.

Come mostrato nell’immagine successiva, lo scambiatore di calore tra il flusso d’aria che va alla cella a combustibile (inizialmente a temperatura ambiente) e il flusso d’aria che esce dalla cella a combustibile (a una temperatura vicina a quella dello stack) aiuta a fornire gas caldi alla SOFC (a una temperatura superiore a 900°C). Possiamo anche notare che la valvola di bypass viene azionata per controllare la temperatura della SOFC e mantenerla a una temperatura inferiore o vicina a 950°C.

Come per l’aria, la miscela di vapore e metano viene riscaldata prima di alimentare il reformer, estraendo un po’ di calore dal flusso di gas in uscita dall’anodo della cella a combustibile. In questo modo, la miscela di gas può raggiungere il reattore a una temperatura vicina ai 900°C.