Comprendere e modellare il processo di degradazione interno di una SOFC per mitigarne gli effetti con l'ibridazione del sistema

Abstract

Le celle a combustibile stanno guadagnando sempre più popolarità grazie alla loro capacità di convertire l'energia in modo altamente efficiente, contribuendo agli sforzi globali volti a ridurre le emissioni di gas serra. Tra questi, le celle a combustibile a ossido solido (SOFC) si distinguono come un’opzione promettente per convertire efficacemente l’energia dai combustibili convenzionali e futuri. Lo svantaggio principale legato a questa tecnologia riguarda la diminuzione dell’efficienza nel corso della vita a causa dei meccanismi di degrado interno. In questo lavoro di tesi, lo scopo è quello di ottenere, partendo da un'analisi qualitativa di tali meccanismi, una quantificazione della mitigazione dell'effetto degradativo ottenuto grazie all'ibridazione di una SOFC con un eTurbo, recuperando del relativo calore aggiuntivo. Nella prima parte di questa ricerca, viene condotta un'analisi bibliografica aggiornata mirata alla definizione dei parametri e dei meccanismi di degrado che influenzano l'aumento del calore in uscita, e una definizione matematica dello stesso, passando allo sviluppo di un modello MATLAB in grado di includere l'effetto di tale degrado. Nella seconda parte, l'ibridazione della SOFC con un eTurbo viene simulata con ACTUS, un software interno sviluppato da Accelleron Industries AG. Il risultato ottenuto mostra che, a seconda del valore del tasso di degradazione, è possibile mitigare il suo effetto negativo sull’efficienza del sistema fino all’1% su una durata totale della SOFC di 20.000 ore.

Fuel cells are increasingly gaining popularity due to their highly efficient energy conversion capabilities, which contribute to global efforts aimed at reducing greenhouse gas emissions. Among these, Solid Oxide Fuel Cells (SOFCs) stand out as a promising option for effectively converting the energy from conventional and future fuels. The main downside related to this technology concerns its efficiency decrease over lifetime due to internal degradation mechanisms. In this work of thesis, the purpose is to obtain, starting from a qualitative analysis of such mechanisms, and a quantification of the mitigation of the degradation effect obtained thanks to SOFC hybridization with an eTurbo, this by recovering some related additional heat. In the first part of this research, an updated bibliographic analysis aimed at the definition of parameters and degradation mechanisms which affect the increase of output heat, and a degradation mathematical definition is conducted, moving on the development of a MATLAB model able to address such degradation effect. In the second part, the hybridization of the SOFC with an eTurbo is simulated with ACTUS, an in-house software developed by Accelleron Industries AG. The result obtained shows that, depending mainly on degradation rate’s value, it is possible to mitigate its negative effect on the system efficiency by up to 1%-point over a SOFC lifetime of 20000 hours.