CARATTERIZZAZIONE SPERIMENTALE DI UN IMPIANTO INNOVATIVO DI PRODUZIONE DI ENERGIA ELETTRICA A BASSO IMPATTO AMBIENTALE A CELLE A COMBUSTIBILE POLIMERICHE PER NAVI DA CROCIERA

International maritime transport has a non-negligible impact on greenhouse gas emissions. It is in fact responsible for about 2-3 % of global greenhouse gas emissions and constitutes about 13% of the emissions due to transport in Europe. Only through the use of innovative high-efficiency technologies and the adoption of carbon-free alternative fuels will it be possible to progressively reduce greenhouse gas emissions from maritime transport to zero by the end of this century as imposed by the International Maritime Organization. This is especially true for the growing cruise ship market whose global CO2 emissions increased by about 10% between 2013 and 2017. In this context, this research project had the objective of verifying the suitability of hydrogen-powered polymeric fuel cells for use on board cruise ships through the development of an innovative generator for marine applications based on this technology and the experimental characterization of a prototype unit to evaluate its efficiency and define strategies to extend its lifetime. The methodological approach adopted for the project involved the analysis of the state of the art of the application of polymeric fuel cells and hydrogen on board ships, the design and construction and experimental characterization of the performance of a land prototype and the installation and testing of the system on board an operational cruise ship. The test rig developed for the research project consisted of two plants: one for the production of gaseous hydrogen by electrolysis and for its compression in a storage system at 200 bar g; the other for the production of electricity, consisting of a 100-kW polymeric fuel cell generator, a DC/AC converter including a supercapacitor energy storage system and a load bank. The test rig also included the field instrumentation and the dedicated automation system for the characterization of the plants and of their components. Although difficulties have been encountered in identifying recognized international test standards, dedicated test procedures have been developed for both plants. As regards the hydrogen production and compression system of the test rig, although the efficiency of the electrolyser was found to be in line with the data declared by the manufacturer and comparable with that of other commercial systems, the overall efficiency of the plant was found to be lower than expected due to the use of an air-driven hydrogen compressor which, while safer than conventional electrically-driven units, was inherently low-efficiency and unable to process the rated flow rate of the electrolyser. Data from the experimental characterization of the test rig electric power plant demonstrated that the efficiency of the fuel cell generator developed for the research project is comparable to that of other heavy-duty commercial systems. Tests also showed that the dynamic performance of the system is enhanced by the supercapacitors included in the DC/AC converter which, at the same time, guarantee an immediate response to load variations and reduce the stress on the fuel cell generator by smothening its response time. The experimental activity made it possible to identify possible system improvements to be implemented on board (e.g., installation of a more efficient electrically driven hydrogen compressor) and optimal operating strategies for the system to increase its overall efficiency and extend its operational life. The onboard system, the first ever of its kind to be installed aboard an operating cruise ship, was successfully commissioned in November 2022.

Il trasporto marittimo internazionale ha un impatto non trascurabile sulle emissioni di gas serra. È infatti responsabile di circa il 2-3% delle emissioni globali di gas serra e costituisce circa il 13% delle emissioni dovute ai trasporti in Europa. Solo attraverso l'utilizzo di tecnologie innovative ad alta efficienza e l'adozione di carburanti alternativi carbon free sarà possibile ridurre progressivamente a zero le emissioni di gas serra del trasporto marittimo entro la fine di questo secolo come imposto dall'Organizzazione Marittima Internazionale. Ciò è particolarmente vero per il crescente mercato delle navi da crociera le cui emissioni globali di CO2 sono aumentate di circa il 10% tra il 2013 e il 2017. In questo contesto, questo progetto di ricerca ha avuto l'obiettivo di verificare l'idoneità di celle a combustibile polimeriche alimentate a idrogeno per l'utilizzo a bordo di navi da crociera attraverso lo sviluppo di un generatore innovativo per applicazioni marine basato su questa tecnologia e la caratterizzazione sperimentale di un'unità prototipale per valutarne l'efficienza e definire strategie per estenderne la durata. L'approccio metodologico adottato per il progetto ha previsto l'analisi dello stato dell'arte dell'applicazione di celle a combustibile polimeriche e idrogeno a bordo delle navi, la progettazione e costruzione e caratterizzazione sperimentale delle prestazioni di un prototipo terrestre e l'installazione e collaudo del sistema a bordo di una nave da crociera operativa. Il banco di prova sviluppato per il progetto di ricerca era costituito da due impianti: uno per la produzione di idrogeno gassoso per elettrolisi e per la sua compressione in un sistema di accumulo a 200 bar g; l'altro per la produzione di energia elettrica, costituito da un generatore a celle a combustibile polimeriche da 100 kW, un convertitore DC/AC comprendente un sistema di accumulo di energia a supercondensatori e un banco di carico. Il banco prova comprendeva anche la strumentazione di campo e il sistema di automazione dedicato per la caratterizzazione degli impianti e dei loro componenti. Sebbene siano state incontrate difficoltà nell'individuare standard di prova internazionali riconosciuti, sono state sviluppate procedure di prova dedicate per entrambi gli impianti. Per quanto riguarda il sistema di produzione e compressione idrogeno del banco prova, sebbene l'efficienza dell'elettrolizzatore sia risultata in linea con i dati dichiarati dal costruttore e comparabile con quella di altri sistemi commerciali, l'efficienza complessiva dell'impianto è risultata essere inferiore al previsto a causa dell'uso di un compressore di idrogeno azionato ad aria che, sebbene più sicuro delle unità convenzionali ad azionamento elettrico, era intrinsecamente a bassa efficienza e incapace di elaborare la portata nominale dell'elettrolizzatore. I dati della caratterizzazione sperimentale della centrale elettrica del banco di prova hanno dimostrato che l'efficienza del generatore di celle a combustibile sviluppato per il progetto di ricerca è paragonabile a quella di altri sistemi commerciali pesanti. I test hanno inoltre dimostrato che le prestazioni dinamiche del sistema sono potenziate dai supercondensatori inclusi nel convertitore DC/AC che, allo stesso tempo, garantiscono una risposta immediata alle variazioni di carico e riducono lo stress sul generatore a celle a combustibile attenuandone il tempo di risposta. L'attività sperimentale ha permesso di identificare possibili migliorie del sistema da implementare a bordo (es. installazione di un più efficiente compressore di idrogeno ad azionamento elettrico) e strategie operative ottimali per il sistema per aumentarne l'efficienza complessiva e prolungarne la vita operativa. Il sistema di bordo, il primo in assoluto del suo genere ad essere installato a bordo di una nave da crociera in funzione, è stato messo in servizio con successo a novembre 2022.