Performance analysis and dynamics of innovative SOFC hybrid systems based on turbocharger-derived machinery
Creators: name: MANTELLI, LUCA
Publisher: name: Universit� degli studi di Genova
Year: 2021

description: La crescente consapevolezza su temi quali il cambiamento climatico e l?inquinamento atmosferico ha portato a politiche nazionali ed internazionali mirate allo sviluppo di sistemi energetici innovativi e sostenibili. Tra di essi, le fuel cell sono uno dei pi� promettenti, essendo caratterizzate da alte efficienze e basse emissioni. In particolare, i sistemi ibridi basati sull?integrazione di fuel cell ad alta temperatura con dispositivi derivati da turbocompressori hanno attirato l?attenzione del mondo accademico e dell?industria negli ultimi decenni. Tuttavia, la complessit�, la fragilit� e l?alto costo di questi impianti ha rallentato il loro sviluppo, e solo poche grandi aziende sono state in grado di realizzare prototipi completi. Le difficolt� tecniche affrontate dalla comunit� scientifica hanno messo in luce l?importanza delle simulazioni per progettare, testare, controllare e analizzare i sistemi ibridi a fuel cell.
Sulla base di tale esperienza, questa tesi mira ad espandere la attuale conoscenza sui sistemi ibridi a fuel cell a ossidi solidi, ponendo una particolare attenzione su un innovativo sistema turbocompresso di piccola taglia, alimentato con biogas e recentemente introdotto all?interno del progetto europeo Bio-HyPP. Lo scopo principale della tesi � determinare se questo tipo di sistema possa essere una valida alternativa ai sistemi basati su microturbine a gas, analizzando il suo comportamento in relazione a diversi scenari, sia stazionari, sia transitori. Per fare ci�, � necessario definire i vincoli operativi del sistema e sviluppare un sistema di controllo in grado di rispettarli, ottimizzando al tempo stesso le prestazioni dell?impianto. Inoltre, l?affidabilit� dei sistemi ibridi pu� essere migliorata grazie all?implementazione di strumenti diagnostici e di procedure per prevenire il pompaggio del compressore. La parte finale della tesi � mirata allo studio di tali strumenti, al loro sviluppo e alla loro integrazione con il sistema di controllo.
Tutte le attivit� presentate in questa tesi sono state svolte facendo affidamento su strumenti di simulazione. Ci� � stato possibile grazie alla collaborazione tra il Laboratorio di Matematica Applicata, Simulazione e Modellistica Matematica e il Thermochemical Power Group dell?Universit� degli Studi di Genova. 
Dopo aver presentato il layout del sistema a fuel cell con turbocompressore, un dettagliato modello stazionario dell?impianto sviluppato in Matlab�-Simulink� � stato utilizzato per progettare una strategia, basata sul controllo di valvole installate sull?impianto, in grado di rispettare tutti i suoi vincoli operativi. Successivamente, � stata svolta un?analisi di prestazioni in off-design, considerando allo stesso tempo diverse condizioni di carico di potenza e di temperatura ambiente. Tale analisi � stata utilizzata per confermare l?efficacia della strategia di controllo proposta, e per valutare le capacit� del sistema con turbocompressore.
Successivamente � stato creato un modello dinamico utilizzando lo strumento TRANSEO, in modo da studiare il comportamento del sistema durante i transitori. Avendo adottato una strategia di controllo basata sulla valvola di cold bypass, � stata analizzata la risposta del sistema ad una sua apertura a gradino, al fine di progettare un sistema di controllo efficace e reattivo, in grado di mantenere la massima temperatura di cella costante e, allo stesso tempo, di rispettare i vincoli del sistema. Sono stati progettati quattro diversi controllori, che successivamente sono stati testati su due diversi scenari di variazione di carico e confrontati sulla base di vari parametri operativi.
La parte finale della tesi ha riguardato lo sviluppo di innovativi strumenti che possano aumentare l?affidabilit� dei sistemi ibridi a fuel cell a ossidi solidi, in particolare tecniche di prevenzione del pompaggio e sistemi di diagnostica basati su reti Bayesiane. Un modello semplificato del sistema con turbocompressore � stato sviluppato in TRANSEO e sono state testate diverse tecniche di prevenzione del pompaggio: condizionamento del flusso d?aria, iniezione di acqua, ricircolo e bleed, installazione di un eiettore all?imbocco del compressore. Le soluzioni pi� efficaci sono state integrate con il controllore del sistema ibrido e sono state testate durante un transitorio per evitare che il punto operativo del compressore si avvicinasse al pompaggio.
Infine, grazie ad una collaborazione tra l?Universit� degli Studi di Genova e la M�lardalens H�gskola di V�ster�s, in Svezia, sono state sviluppate delle reti Bayesiane per la diagnostica di sistemi ibridi a fuel cell a ossidi solidi con microturbina a gas. Questa attivit� � stata svolta simulando il sistema su Matlab�-Simulink� e creando le reti Bayesiane su Hugin Expert. Due sistemi di diagnostica, uno per la microturbina e uno per la fuel cell, sono stati sviluppati e testati in condizioni stazionarie. Il secondo � stato anche testato in condizioni dinamiche e integrato con il sistema di controllo per prevenire l?usura della cella.
In conclusione, questa tesi ha messo in luce il grande potenziale dei sistemi ibridi SOFC-turbocompressore, mostrando la loro alta efficienza in un ampio intervallo di condizioni operative in termini di carico elettrico e temperatura ambiente. La tesi ha anche dimostrato che � possibile garantire il corretto funzionamento di questi sistemi durante diversi scenari transitori, implementando controllori a cascata progettati per agire sulla valvola di bypass freddo per controllare la massima temperatura della cella. Per quanto riguarda la possibilit� di migliorare l?affidabilit� di tali sistemi, le tecniche basate sul ricircolo del compressore sono risultate essere le pi� efficaci per allontanare il sistema da una condizione di pompaggio. I risultati delle simulazioni mostrano come la loro integrazione con strumenti di monitoraggio possa prevenire diverse situazioni di pericolo. La parte finale della tesi ha mostrato come il deterioramento dei sistemi ibridi a SOFC possa essere limitato grazie a reti Bayesiane, che sono state utilizzate per diagnosticare accuratamente le condizioni di un sistema SOFC-microturbina a gas, ma potrebbero ugualmente essere applicate su impianti con turbocompressore.