Modellizzazione dettagliata di un'unità elettrificata di reforming del metano e sua implementazione in un'analisi di fattibilità per la decarbonizzazione del settore marittimo

Abstract

La domanda di nuove tecnologie per la decarbonizzazione è cresciuta significativamente negli ultimi anni, principalmente a causa del cambiamento climatico e delle successive indicazioni normative imposte da varie autorità, inclusa l’Unione Europea. Questo rappresenta la base da cui origina il presente lavoro. Nello specifico, il contesto oggetto dello studio è relativo alla decarbonizzazione di una nave da crociera mediante l’uso di celle a combustibile a carbonati fusi, tecnologia in grado di produrre energia ausiliaria e contestualmente catturare la CO2 emessa dai fumi dei motori di propulsione, consentendo di rispettare le normative ambientali di prossima attuazione. La soluzione impiantistica proposta è ispirata al know-how del gruppo di ricerca PERT dell’Università di Genova, sviluppata concettualmente in seno al progetto NEST -“Network 4 Energy Sustainable Transition” - del PNRR e applicata a una specifica integrazione a bordo nel progetto CO2-STOP finanziato da FINCANTIERI. Una dettagliata ricerca bibliografica sui sistemi di produzione di idrogeno e l’analisi di processo sviluppata grazie a simulazioni di impianto condotte con il software DWSIM hanno suggerito l’impiego di uno steam-reformer elettrificato quale soluzione più promettente per la produzione a bordo dell’idrogeno necessario come combustibile delle celle. Per questo motivo nell’ambito della tesi si è sviluppato, in collaborazione con l’azienda Ecospray Technologies ed ENEA, un modello dettagliato di tale reattore, basato su bilanci locali di materia ed energia e implementato in un codice di calcolo in grado di fornire la mappatura dei principali parametri chimico-fisici caratterizzanti il suo funzionamento. Lo strumento sarà utilizzato come strumento di progettazione del reattore per ottimizzarne la sua integrazione a bordo nave nell’innovativo contesto applicativo descritto.

The demand for new technologies for decarbonization has significantly increased in recent years, primarily due to climate change and subsequent regulatory guidelines imposed by various authorities, including the European Union. This forms the basis of the present work. Specifically, the context of the study pertains to the decarbonization of a cruise ship using molten carbonate fuel cells, a technology capable of producing auxiliary power while simultaneously capturing CO2 emitted from the exhaust gases of propulsion engines, thereby complying with upcoming environmental regulations. The proposed plant solution is inspired by the know-how of the PERT research group from the University of Genoa, conceptually developed within the NEST - ”Network 4 Energy Sustainable Transition” project of the PNRR and applied to a specific on-board integration in the CO2-STOP project funded by FINCANTIERI. A detailed literature review on hydrogen production systems and the process analysis developed through plant simulations conducted with DWSIM software suggested the use of an electrified steam reformer as the most promising solution for on-board hydrogen production needed as fuel for the cells. For this reason, a detailed model of this reactor was developed as part of the thesis, in collaboration with the company Ecospray Technologies and ENEA, based on local material and energy balances and implemented in a calculation code capable of providing the mapping of the main physicochemical parameters characterizing its operation. The tool will be used as a reactor design tool to optimize its integration on board the ship in the innovative application context described.