Network Connection System for Fuel Cells - Ansaldo Sistemi Industriali

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Federico Magrin
Network Connection
System for Fuel Cells
Now and in the future the objective, at an international level,
is to expand the use of all renewable sources of energy which
permit a reduced environmental impact with maximum reduction
in CO2 and other greenhouse gases and reduced dependence
on fossil fuels.
It is for this reason that in recent years increasing attention
has been paid, in addition to photovoltaic and wind power,
to researching and testing the use of hydrogen as an alternative
fuel.
The devices designed to extract electricity from hydrogen are
called Fuel Cells.
They are electrochemical devices which transform chemical
energy (derived from the reaction between Hydrogen H2 and
Oxygen O) into direct current electrical energy.
Their operating principle is very close to that of the battery
but because they consume external substances, they are capable
of working without interruption as long as their electrodes
are supplied with fuel (H2) and oxygen (air).
Fuel (H 2 )
Water
(H 2 O) Heat
. FUEL . . .
Oxygen (O)
Electricity
The significant benefits of this type of technology seem to
include:
• double the efficiency compared to internal combustion engines
• possible use for cogeneration producing electricity and heat
with overall efficiency in excess of 80%
• in addition to hydrogen, can use primary fuels such as
methane, methanol, biomass gas, refuse gas or gas produced
from synthesis
INNOVATION
• reduced environmental impact both in terms of gaseous
emissions and acoustic impact, which makes fuel cells suitable
for installation in residential as well as industrial sites.
• reduced maintenance, having no moving parts.
Ansaldo Sistemi Industriali SpA, which has traditionally
engaged in technological innovation for its products in
order to satisfy all types of market demand, has taken up
its place in the Fuel Cells market with special enthusiasm,
working with enterprises such as Ansaldo Fuel Cells, Nuvera
Fuel Cells and ENI Research Centre.
Ansaldo Sistemi Industriali SpA can to date count among
its successes equipment with power ratings varying from
tens of KW to hundreds of KW with the prospect of reaching
and even exceeding one MW in the future.
Pride of place should certainly go to the Ansaldo Fuel Cells
ENEL project, in 2009, to which Ansaldo Sistemi Industriali
SpA contributed with the supply of electrical equipment
to operate a 0.5MW cogeneration system equipped with
MCFC (molten carbonate fuel cells).
MCFC #1
2 stack in serie
MCFC #2
2 stack in serie
AC Trafo
Booster 1
DC
e �ltri
Center
Inverter
Booster 2
Power
Protezione
DC
Precarica
Chopper
(eventuale) Quadro
AC
CONTROLLO
(PCS)
EPU
SISTEMA DI CONTROLLO
(DCS)
In this case, as shown in the block diagram, the equipment
includes the following macro-components:
• isolators for the cell side power
• accumulation and filter units
• Booster DC/DC Converters
• inverter unit known as the “Active Front End” and the
associated filter to reduce to a minimum harmonic distortions
to the ENEL network
• filters to reduce harmonic distortions to a minimum and
three-phase transformer for galvanic separation from the
ENEL network
• braking unit with IGBT modulation device (our GTBU
unit) and dissipation resistance battery
• micro turbine inverter unit (GIM), which transforms the
flow of exhaust gases from the chemical processes within
the cells into “additional” electrical energy.
• internal PLC for system control/management and interface
with the plant DCS unit.
GIM
Sistema di connessione
alla rete per celle
a combustibile
Oggi e nel futuro l’obiettivo, a livello mondiale, è di
espandere l’uso di tutte quelle fonti rinnovabili di
energia che permettano di ottenere minore impatto
ambientale con massima riduzione delle emissioni di
CO2 e di altri gas serra e minore dipendenza dai combustibili
fossili. E’ a tale scopo che negli ultimi anni
si sta prestando sempre più attenzione, oltre che a settori
come Fotovoltaico ed Eolico, anche alla ricerca e
sperimentazione dell’ idrogeno come combustibile alternativo.
I dispositivi progettati per permettere di
estrapolare dall’idrogeno energia elettrica vengono
denominati Fuel Cells (ovvero “celle a combustibile”).
Sono dispositivi elettrochimici che trasformano energia
chimica (derivante da una reazione tra idrogeno
H2 ed ossigeno O) in energia elettrica a corrente continua.
Il loro principio di funzionamento si avvicina
molto a quello delle batterie ma, consumando sostanze
esterne, sono in grado di funzionare senza interruzioni
finché ai suoi elettrodi vengono forniti
combustibile (H2) e ossigeno (aria).
I vantaggi sostanziali per questo tipo di tecnologia
appaiono essere:
• efficienza doppia rispetto ai motori a combustione
interna
• possibilità di operare in cogenerazione producendo
energia elettrica e calore con rendimenti complessivi
superiori all’80%
• possibilità di impiego, oltre all’idrogeno, di combustibili
primari come metano, metanolo, gas da biomasse,
gas da discarica o gas di sintesi
• ridotto impatto ambientale sia in termini di emissioni
gassose che acustiche. Ciò rende le Fuel Cells
adatte per un’installazione anche in siti residenziali
• minore manutenzione, essendo priva di organi in
movimento
Ansaldo Sistemi Industriali SpA, tradizionalmente impegnata
nell’innovazione tecnologica dei propri prodotti
al fine di soddisfare qualsiasi genere di esigenze
del mercato, si è inserita nel mercato delle Fuel Cells
con particolare interesse instaurando rapporti di collaborazione
con aziende quali ad esempio Ansaldo
Fuel Cells, Nuvera Fuel Cells, Centro Ricerche ENI.
Ansaldo Sistemi Industriali SpA ad oggi può contare
tra le proprie referenze impianti di potenza variabile
da qualche decina ad alcune centinaia di KW con
prospettive future per raggiungere e addirittura superare
il MW.
Tra tutti va sicuramente evidenziato il progetto di Ansaldo
Fuel Cells per ENEL, anno 2009, al quale Ansaldo
Sistemi Industriali SpA ha partecipato con la
fornitura di un’apparecchiatura elettrica per la gestione
di un sistema di cogenerazione da 0.5MW
equipaggiato con celle tipo MCFC (molten carbonate
fuel cells).
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A very important control characteristic of the whole
system which should be noted is that in addition to
being able to track the voltage/current curve of the
cells, it can automatically manage in abnormal conditions
(such as network failure) the change to and operation
of the plant in ISLAND mode: that is, the
system is self sufficient and can power the plant equipment
and auxiliaries even in the absence of the overall
electrical network, using the micro turbine cogeneration
system (GIM).
Any excess energy is dissipated via an IGBT modulation
device (GTBU) on a resistive load (EPU).
Another interesting aspect is the modularity which
may expand in line with user needs.
Special attention has been given to reducing bulk
which has resulted in electrical boards with a high degree
of fill. This was made possible by the specific de-
Federico Magrin
sign of each individual component to reduce volume
and the use of meticulous assembly techniques.
In conclusion it is clear that the world of fuel cells is
constantly developing.
To date it remains a niche market, due above all to the
high cost of hydrogen H2, and one which is perhaps
not well known, but considering the wide range of potential
fields in which Fuel Cells can be used (naval,
military, biomass plant, hospitals, shopping centres
etc.) it is expected that this market will become increasingly
dynamic in the next few years with a consequent
decrease in installation costs and costs of
hydrogen supply.
Ansaldo Sistemi Industriali SpA, strengthened by the
high level of experience and expertise acquired in the
last few years, is ready to take on the challenges presented
by this promising market.
INNOVATION
Nella fattispecie, come evidenziato nello schema a
blocchi, l’impianto comprende i seguenti macro-componenti:
• organi di sezionamento della potenza lato celle
• unità di accumulo e filtraggio
• convertitori Booster DC/DC
• unità inverter denominata “Active Front End” e relativo
filtraggio per ridurre al minimo le distorsioni
armoniche verso la rete ENEL
• filtri per ridurre al minimo le distorsioni armoniche
e trasformatore trifase per separazione galvanica
dalla rete ENEL
• unità di frenatura realizzata con dispositivo di modulazione
ad IGBT (ns. unità GTBU) e batteria di
resistenze di dissipazione
• unità inverter di comando della microturbina
(GIM), la quale sostanzialmente trasforma in energia
elettrica “addizionale” il flusso di gas esausti
derivanti dai processi chimici interni alle celle
• unità PLC interna per controllo/gestione del sistema,
e interfaccia con unità DCS d’impianto
Da notare una caratteristica molto importante dell’intero
sistema, legata al controllo, che oltre ad essere in
grado di seguire la curva tensione/corrente delle celle,
ha la capacità di saper gestire automaticamente in
condizioni anomale (mancanza rete, …) il passaggio
e l’esercizio dell’impianto in modalità ISOLA: ovvero
il sistema è in grado di autosostenersi e di alimentare
le utenze e gli ausiliari d’impianto anche in assenza
della rete elettrica prevalente, sfruttando anche la presenza
del sistema cogenerativo a microturbina (GIM).
L’eventuale energia in esubero viene dissipata mediante
un dispositivo di modulazione a IGBT (denominato
GTBU) su un carico resistivo (EPU).
Altra interessante peculiarità è certamente la modularità,
che può crescere a seconda della domanda
dell’utente. Particolare attenzione è stata posta alla
riduzione ingombri che ha avuto come risultato la
realizzazione di quadri elettrici con elevato fattore di
riempimento. Questo è stato possibile attraverso la
progettazione specifica su ogni singolo componente
finalizzata al contenimento dei volumi, e a tecniche
di assemblaggio minuziose.
Per concludere è chiaro che il mondo delle celle a
combustibile è in continua evoluzione.
Ad oggi è ancora un mercato di nicchia, dovuto soprattutto
agli elevati costi dell’idrogeno H2, e forse
non completamente conosciuto, ma considerati i potenziali
bacini d’utenza ai quali le Fuel Cells sicuramente
potranno far riferimento (applicazioni in
campo navale, militare, impianti a biomasse, ospedali,
centri commerciali, …) ci si aspetta una progressiva
maggiore dinamicità di questo mercato negli
anni immediatamente futuri con una conseguente
flessione sui costi d’installazione e di approvvigionamento
dell’idrogeno.
Ansaldo Sistemi Industriali SpA, forte dell’alto valore
delle competenze acquisite in questi ultimi anni, è
pronta ad affrontare le sfide che questo promettente
mercato proporrà.
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