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Production Ready Heat Exchangers and Fuel Cell Stacks for Fuel Cell mCHP

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Enorme passo avanti nella commercializzazione di sistemi residenziali di generazione combinata di calore ed elettricità a celle a combustibile

Finora, la convenienza non era propriamente la caratteristica più nota della generazione in loco di calore ed elettricità, ma le cose potrebbero essere cambiate. Un progetto, finanziato dall’UE, ha mostrato come si possano ridurre i costi di produzione della micro-cogenerazione a cella a combustibile, instradando la tecnologia verso una più ampia disponibilità commerciale.

Tecnologie industriali
Energia

Un decennio fa, l’idea di generare calore ed elettricità per uso residenziale senza inquinare e con emissioni di gas a effetto serra considerevolmente ridotte sembrava troppo bella per essere vera. Le celle a combustibile fisse sono oggi un’alternativa promettente ai motori a combustione per la produzione di elettricità e la cogenerazione di calore nell’ambito di micro sistemi combinati di calore ed elettricità (micro-CHP, micro combined heat and power).

Ridurre il costo dei principali componenti della cella a combustibile

Tra i vari tipi di micro-CHP, i sistemi di cogenerazione a celle a combustibile possono raggiungere un’efficienza del 90 % (60 % elettrica e per la restante parte termica). Il basso rapporto calore-potenza di questi sistemi indica che sono assolutamente in linea con la tendenza abitativa in evoluzione, rivolta a un maggior uso di elettricità e a una ridotta domanda di riscaldamento degli ambienti. Nonostante il loro notevole potenziale per le applicazioni residenziali, i sistemi micro-CHP non hanno ancora raggiunto la fase di commercializzazione. I recenti progressi introdotti dal progetto HEATSTACK, finanziato dall’UE, sembrano aiutare a superare la sfida rappresentata dagli elevati costi di investimento che hanno finora impedito il lancio commerciale della tecnologia. L’attenzione principale è stata posta sulla riduzione dei costi di produzione dei due componenti più costosi del sistema a cella a combustibile: la pila a combustibile e lo scambiatore di calore, che rappresentano la maggior parte dei costi di investimento per la cella a combustibile. I ricercatori si sono basati sul successo di un sistema micro-CHP d’avanguardia che utilizza una pila a combustibile a ossidi solidi (SOFC) sviluppata dal partner del progetto Sunfire. Ad oggi, questo sistema è stato sottoposto a numerose sperimentazioni sul campo nell’ambito di iniziative a livello europeo per l’impiego di micro-CHP a cella a combustibile per uso residenziale e il sistema rappresenta una delle più promettenti tecnologie di cogenerazione SOFC, prossima alla distribuzione commerciale. Il sistema utilizza un innovativo preriscaldatore d’aria catodico (CAPH, cathode air preheater) basato su un nuovo scambiatore di calore gas-a-gas, che fornisce aria alla pila a combustibile a una specifica temperatura. Ridurre i costi della pila SOFC e del CAPH renderà la micro-cogenerazione a cella a combustibile più competitiva economicamente e più appetibile sul mercato.

Automatizzare compiti manuali

«Il sistema micro-CHP Home di Sunfire offre un’efficiente cogenerazione di elettricità e calore per le abitazioni e funziona con carburanti efficienti in termini di costi, ossia gas di petrolio liquefatto o gas naturale», spiega l’ingegnere del progetto Frank Mittmann. Per arrivare alla produzione in serie devono essere automatizzati vari processi, tra cui l’eliminazione della manodopera per l’applicazione automatica della sigillatura in vetro sulle unità di ripetizione della pila SOFC. «Nel corso del progetto HEATSTACK, Sunfire ha ottimizzato il processo di stampa della pasta di vetro sulle unità di ripetizione con l’utilizzo di uno stencil di fase, raggiungendo un risparmio del 10 % nei costi totali della pila SOFC», aggiunge Mittmann. Gli ingegneri R&S hanno prodotto 10 prototipi di pile SOFC con vetro stampato e hanno condotto test accurati su compatibilità meccanica, proprietà elettriche e stabilità a lungo termine degli stessi. Le pile ottimizzate SOFC sono state integrate nelle unità micro-CHP Home di Sunfire e sono stati condotti ulteriori test sulle prestazioni a livello del sistema, che hanno mostrato che le tecnologie utilizzate da HEATSTACK sono pronte per l’uso nella produzione di massa.

Utilizzare AluChrom nel CAPH

I ricercatori del progetto hanno sviluppato strumenti e processi che hanno ridotto i tempi di produzione di CAPH da nove a due ore e mezzo. Inoltre, hanno dimostrato una sensibile riduzione nell’evaporazione del cromo, utilizzando per le piastre di scambio termico nel CAPH una lega per il riscaldamento a resistenza chiamata AluChrom, invece di Inconel 625. Con il trattamento pre-termico di AluChrom si è dimostrato il prolungamento del ciclo vitale delle SOFC, riducendo così i costi complessivi di manutenzione.

Parole chiave

HEATSTACK, micro-CHP, SOFC, generazione combinata di calore ed elettricità, pila a combustibile, scambiatore di calore, pila a combustibile a ossidi solidi, preriscaldatore d’aria catodico

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