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Autore: F. Calise, M. Dentice D'Accadia, A. Palombo, R. Vanoli, L.Vanoli

Collana: FM - 2004 Sorrento - Third International Symposium - Energy and Environment

Note:
In the paper, the exergy analysis of a hybrid Solid Oxide Fuel Cell – Gas Turbine (SOFC-GT) Power system is presented, in various design and operating conditions.
The system layout basically consists of a gas turbine, fuel and air compressors, two gas-to-gas heat exchangers and an internal reforming tubular SOFC stack. The latter is based on an anode stream re-circulation arrangement and includes a mixer and a cathalitic burner.
Energy and exergy balances were performed not only for the plant as a whole, but also for its components, in order to evaluate the distribution of irreversibility and thermodynamic inefficiencies through the plant.
Results showed that, for a 1.5 MW sized system, an electrical efficiency of more than 65% can be achieved by an appropriate selection of the most important design variables, with special reference to operating pressure and cell current density. If waste heat recovery is also taken into account, a global efficiency near 80% can be reached in the best configurations.


Nel presente lavoro viene realizzata un’analisi exergetica di un impianto ibrido basato sulla tecnologia delle celle a combustibile ad ossidi solidi (SOFC) e della turbina a gas (GT). Le prestazioni dell’impianto sono esaminate per differenti configurazioni progettuali ed operative.
L’impianto è essenzialmente costituito da: turbina a gas, compressore aria, compressore combustibile, uno scambiatore di calore (HE) gas-combustibile ed uno gas-aria ed uno stack di celle a combustibile ad ossidi solidi con reforming interno (IRSOFC). Quest’ultimo componente è a sua volta costituito dalla cella a combustibile propriamente detta, da un miscelatore e da un postcombustore.
Nel presente lavoro viene analizzata una particolare tipologia di cella a combustibile ad ossidi solidi, basata sul ricircolo dell’uscita anodica. In questo modo il vapore d’acqua necessario a sostenere la reazione di reforming, internamente alla cella, viene autoprodotto dalla SOFC, evitando l’uso di generatori di vapore a recupero oppure di generatori di vapore esterni. Tale accorgimento da un lato consente una notevole semplificazione impiantistica, dall’altro obbliga ad un’accurata progettazione e gestione della cella a combustibile.
I fluidi evolventi nell’impianto (gas naturale, aria e gas in uscita dalla cella), sono stati modellati assumendo valido il modello di gas ideale. Solo per il vapore d’acqua si è implementato un modello più complesso, basato sulle equazioni IAPWS-IF97, necessario a descriverne il comportamento termodinamico nel campo del vapore surriscaldato.
Il comportamento dei compressori e della turbine è stato simulato sulla base della definizione di rendimento isoentropico; le prestazioni dei due scambiatori di calore sono state calcolate implementano il metodo efficienza-NTU, adattandolo ad un fluido avente calore specifico variabile con la temperatura. L’elevata temperatura operativa della cella SOFC, e quindi del combustore ad essa associato, rende possibile assumere che tali reazioni di combustione avvengano in maniera completa. Il comportamento della cella ad ossidi solidi è stato infine simulato utilizzando le equazioni che ne descrivono le prestazioni elettrochimiche.
La simulazione è stata realizzata in diverse configurazioni progettuali, facendo variare i più importanti parametri operativi, tra cui: densità di corrente, pressione operativa della SOFC, rapporto fra portata d’aria e di combustibile, intensità di corrente e coefficiente di utilizzazione del combustibile. I risultati hanno mostrato che, nelle migliori configurazioni progettuali, è possibile superare un’efficienza elettrica netta del 65 %. Se si assume di poter utilizzare anche il refluo termico dell’impianto, il rendimento globale riesce facilmente a superare il 75 %.