Consiglio Nazionale delle Ricerche
Istituto di Tecnologie Avanzate per l’Energia “Nicola Giordano”
Consiglio Nazionale delle Ricerche
F. Cipitì, V. RecuperoF. Cipitì, V. Recupero
Istituto di Tecnologie Avanzate per l’Energia “Nicola Giordano”, MessinaIstituto di Tecnologie Avanzate per l’Energia “Nicola Giordano”, Messina
Torino, 16 giugno 2004
Idrogeno: filiera e tecnologie correlate
Sistemi per la produzione di Idrogeno da Sistemi per la produzione di Idrogeno da combustibili fossili tradizionali per l’utilizzo in combustibili fossili tradizionali per l’utilizzo in
celle a combustibile ad elettrolita polimerico celle a combustibile ad elettrolita polimerico (PEFC)(PEFC)
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1.1. IntroduzioneIntroduzione
CombustibiliCombustibili2.2.
Processi di reformingProcessi di reforming3.3.
CO clean-upCO clean-up4.4.
Stato dell’arteStato dell’arte5.5.
HYGen I – ITAE’s HYdrogen Generator PrototypeHYGen I – ITAE’s HYdrogen Generator Prototype7.7.
ConclusioniConclusioni8.8.
SteamSteam Reforming (SR) Reforming (SR)
Partial Oxidation (POX)Partial Oxidation (POX)
Autothermal Reforming (AR)Autothermal Reforming (AR)
SommarioSommario
Programmi internazionali e nazionaliProgrammi internazionali e nazionali6.6.
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CombustibiliCombustibili2.2.
Processi di reformingProcessi di reforming3.3.
CO clean-upCO clean-up4.4.
Stato dell’arteStato dell’arte5.5.
HYGen I – ITAE’s HYdrogen Generator PrototypeHYGen I – ITAE’s HYdrogen Generator Prototype7.7.
ConclusioniConclusioni8.8.
Steam Reforming (SR)Steam Reforming (SR)
Partial Oxidation (POX)Partial Oxidation (POX)
Autothermal Reforming (AR)Autothermal Reforming (AR)
SommarioSommario1.1. IntroduzioneIntroduzione
Programmi internazionali e nazionaliProgrammi internazionali e nazionali6.6.
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Dove si può utilizzare?Dove si può utilizzare?
H2
Sistemi PortatiliSistemi PortatiliCelle a combustibileCelle a combustibilea bassa temperaturaa bassa temperatura
TrasportoTrasportoCelle a combustileCelle a combustile
a bassa temperaturaa bassa temperatura
StazionarioStazionarioCelle a combustibileCelle a combustibile
IntroduzioneIntroduzione
H2
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EXHAUSTEXHAUST
FUELFUEL
WATER WATER MANAGEMENTMANAGEMENT
EXHAUSTEXHAUST
D.C. ENERGYD.C. ENERGY
HEAT HEAT MANAGEMENTMANAGEMENT
HEATHEAT
UTILIZATIONUTILIZATION
FUEL CELLFUEL CELL
STACKSTACK
WATER TANKWATER TANK
AIRAIR
PEFC SystemPEFC System
IntroduzioneIntroduzione
ReformingReforming ShiftShiftCOCO
clean-upclean-up
Fuel processorFuel processor
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È la chiave per una veloce e rapida commercializzazione delleÈ la chiave per una veloce e rapida commercializzazione delle
fuel cells, superando il problema dell’infrastruttura per l’idrogenofuel cells, superando il problema dell’infrastruttura per l’idrogeno
È possibile ricavare l’idrogeno da combustibili diversi:È possibile ricavare l’idrogeno da combustibili diversi:metanolo/etanolometanolo/etanolometanometanobenzina/gasoliobenzina/gasolioLPGLPGnaftanafta
Processi utilizzati
OSSIDAZIONEOSSIDAZIONE
PARZIALE (POX)PARZIALE (POX)
STEAM REFORMINGSTEAM REFORMING
(SR)(SR)
AUTOTHERMALAUTOTHERMAL
(AR)(AR)
Il Fuel ProcessorIl Fuel Processor
IntroduzioneIntroduzione
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Richieste di unRichieste di unFuel Processor per FCFuel Processor per FC
Obiettivi di efficienza per:Obiettivi di efficienza per:A.A.
Conversione del combustibile in idrogenoConversione del combustibile in idrogeno
Bilanci energetici del sistema complessivoBilanci energetici del sistema complessivo
Abbattimento del COAbbattimento del CO
Comportamento in fase di start-up – shut-downComportamento in fase di start-up – shut-downB.B.
Costi competitiviCosti competitiviF.F.
EmissioniEmissioniC.C.
Comportamento in condizioni non stazionarieComportamento in condizioni non stazionarieD.D.
Dimensioni (ingombri, peso)Dimensioni (ingombri, peso)E.E.
IntroduzioneIntroduzione
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CombustibiliCombustibili2.2.
Processi di reformingProcessi di reforming3.3.
CO clean-upCO clean-up4.4.
Stato dell’arteStato dell’arte5.5.
HYGen I – ITAE’s HYdrogen Generator PrototypeHYGen I – ITAE’s HYdrogen Generator Prototype7.7.
ConclusioniConclusioni8.8.
Steam Reforming (SR)Steam Reforming (SR)
Partial Oxidation (POX)Partial Oxidation (POX)
Autothermal Reforming (AR)Autothermal Reforming (AR)
SommarioSommario1.1. IntroduzioneIntroduzione
Programmi internazionali e nazionaliProgrammi internazionali e nazionali6.6.
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CombustibiliCombustibili
Combustibili perCombustibili perFuel CellFuel Cell
NUCLEARNUCLEARSOLARSOLAR
WATER/WINDWATER/WIND
BIOMASSBIOMASS
WASTESWASTESCOALCOALCNG CNG OILOIL
PrimaryPrimaryEnergyEnergy
GASOLINEGASOLINE METHANOLMETHANOL HYDROGENHYDROGENSecondarySecondary
EnergyEnergy
FUEL CELLFUEL CELL
POXPOX AUTOTHERMALAUTOTHERMAL STEAM R.STEAM R.On-boardOn-board
Fuel Fuel ProcessingProcessing
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Classificazione Classificazione dei dei
Fuel ProcessorsFuel Processors
CombustibiliCombustibili
In accordo al Combustibile…
Gas NaturaleGas Naturale
Alto contenuto di Idrogeno, l’accumulo e la Alto contenuto di Idrogeno, l’accumulo e la distribuzione possono essere problematici.distribuzione possono essere problematici.
MetanoloMetanolo
Relativamente facile da riformare, accumulare, Relativamente facile da riformare, accumulare, distribuire.distribuire.
BenzinaBenzina
Infrastruttura corrente, alta temperatura di Infrastruttura corrente, alta temperatura di reforming, prodotti secondari.reforming, prodotti secondari.
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Produzione dell’idrogeno Produzione dell’idrogeno dal gas naturale (metano)dal gas naturale (metano)
CombustibiliCombustibili
VantaggiVantaggi SvantaggiSvantaggi
Tecnologia serbatoio accumulo Tecnologia serbatoio accumulo sviluppata.sviluppata.
Infrastruttura sufficientemente Infrastruttura sufficientemente distribuita sul territorio.distribuita sul territorio.
Relativa semplicità di trasformazione Relativa semplicità di trasformazione con assenza di prodotti secondari.con assenza di prodotti secondari.
Composizione omogeneaComposizione omogenea
Reformer non completamente Reformer non completamente sviluppato per un utilizzo on board.sviluppato per un utilizzo on board.
Necessità di unità di desolforazione.Necessità di unità di desolforazione.
Accumulo in serbatoi a pressione.Accumulo in serbatoi a pressione.
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Produzione dell’idrogeno Produzione dell’idrogeno dal metanolodal metanolo
CombustibiliCombustibili
VantaggiVantaggi SvantaggiSvantaggi Il combustibile liquido in condizioni Il combustibile liquido in condizioni
ambiente consente:ambiente consente:
-- Serbatoio compatto, leggero Serbatoio compatto, leggero ed ed economicoeconomico
- Più semplice sviluppo di - Più semplice sviluppo di infrastrutture rispetto ai infrastrutture rispetto ai
combustibili gassosi.combustibili gassosi.
Relativa semplicità di trasformazione Relativa semplicità di trasformazione con aumento dell’efficienza del con aumento dell’efficienza del sistema.sistema.
Composizione omogenea del Composizione omogenea del combustibile.combustibile.
Possibilità di ottenerlo da fonti Possibilità di ottenerlo da fonti rinnovabili con conseguente rinnovabili con conseguente miglioramento dei problemi di risorse miglioramento dei problemi di risorse energetiche, qualità dell’aria, effetto energetiche, qualità dell’aria, effetto serra.serra.
Carenza infrastruttureCarenza infrastrutture
TossicoTossico
Reformer non completamente Reformer non completamente sviluppato per un utilizzo on board.sviluppato per un utilizzo on board.
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Produzione dell’idrogeno Produzione dell’idrogeno dalle benzinedalle benzine
CombustibiliCombustibili
VantaggiVantaggi SvantaggiSvantaggi
Infrastrutture disponibili.Infrastrutture disponibili.
Serbatoio compatto, leggero, Serbatoio compatto, leggero, economicoeconomico
Reformer non completamente Reformer non completamente sviluppato per un utilizzo on board.sviluppato per un utilizzo on board.
Presenza di aromatici. Presenza di aromatici.
Formazione di prodotti secondari.Formazione di prodotti secondari.
Rese in idrogeno inferiori.Rese in idrogeno inferiori.
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CombustibiliCombustibili2.2.
Processi di reformingProcessi di reforming3.3.
CO clean-upCO clean-up4.4.
Stato dell’arteStato dell’arte5.5.
HYGen I – ITAE’s HYdrogen Generator PrototypeHYGen I – ITAE’s HYdrogen Generator Prototype7.7.
ConclusioniConclusioni8.8.
Steam Reforming (SR)Steam Reforming (SR)
Partial Oxidation (POX)Partial Oxidation (POX)
Autothermal Reforming (AR)Autothermal Reforming (AR)
SommarioSommario1.1. IntroduzioneIntroduzione
Programmi internazionali e nazionaliProgrammi internazionali e nazionali6.6.
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Processi di reformingProcessi di reforming
Classificazione Classificazione dei dei
Fuel ProcessorsFuel Processors
In accordo al tipo di Reazione…
Steam ReformingSteam Reforming
Reagisce con acqua, endotermica, trasferimento di Reagisce con acqua, endotermica, trasferimento di calore indiretto, bassa temperatura, alta efficienza.calore indiretto, bassa temperatura, alta efficienza.
Ossidazione ParzialeOssidazione Parziale
Reagisce con ossigeno, esotermica, alta Reagisce con ossigeno, esotermica, alta temperatura, rapido start up, compatto.temperatura, rapido start up, compatto.
Reforming AutotermicoReforming Autotermico
Combina steam reforming ed ossidazione parziale, Combina steam reforming ed ossidazione parziale, no extra riscaldamento o raffreddamento.no extra riscaldamento o raffreddamento.
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Steam ReformingSteam Reforming
Processi di reformingProcessi di reforming
tale reazione è endotermica, quindi necessita di una sorgente di calore
la temperatura dipende dal tipo di idrocarburi utilizzato
alla fase di reforming segue la fase cosiddetta di “shift” in cui si forma ulteriore idrogeno secondo la reazione:
tale reazione è equimolecolare ed esotermica e viene solitamente fatta avvenire in due stadi diversi, uno ad alta e l’altro a bassa temperatura
CCnnHH2n+22n+2 + nH + nH22O = nCO + (2n+1)HO = nCO + (2n+1)H22
CO + HCO + H22O = COO = CO22 + H + H22
Per un generico idrocarburo:Per un generico idrocarburo:
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Processi di reformingProcessi di reforming
Ossidazione Ossidazione ParzialeParziale
tale reazione è esotermica, non richiede quindi un apporto separato di calore
La percentuale in volume di CO nei gas uscenti è elevata, circa il 30% in volume dei prodotti formati, pertanto anche in questo caso è necessario un secondo stadio di “shift” (HTSR e LTSR) per ridurre la concentrazione di CO
CCnnHHmm + n/2 O + n/2 O22 = n CO + m/2 H = n CO + m/2 H22
Per un generico idrocarburo:Per un generico idrocarburo:
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Autothermal Autothermal ReformingReforming
Processi di reformingProcessi di reforming
x rappresenta il rapporto tra aria e combustibile; da esso dipende: la quantità di acqua necessaria a convertire il CO in CO2 le moli di idrogeno prodotte la concentrazione di idrogeno nei gas in uscita il calore di reazione
se x = 0 l’equazione rappresenta la reazione di steam reforming
se x = [n-(p/2)+(m/4)] l’equazione rappresenta la reazione di combustione
le condizioni di autothermal reforming si hanno in corrispondenza del valore di x che rende nullo il bilancio termico: il calore generato dalla reazione di ossidazione viene utilizzato dalla reazione di steam reformer
Per un generico idrocarburo:Per un generico idrocarburo:
CCnnHHmmOOpp + x(O + x(O22+3.76N+3.76N22) + (2n–2x–p)H) + (2n–2x–p)H22O = nCOO = nCO22 + (2n-2x-p+m/2)H + (2n-2x-p+m/2)H22 + + 3.76xN3.76xN22
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Fattori chiaveFattori chiave
Processi di reformingProcessi di reforming
Qualità dell’IdrogenoQualità dell’IdrogenoA.A.
Stabilità della conversioneStabilità della conversioneB.B.
Start up e shut downStart up e shut downC.C.
Risposte nei transitoriRisposte nei transitoriD.D.
Densità di potenzaDensità di potenzaE.E.
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CombustibiliCombustibili2.2.
Processi di reformingProcessi di reforming3.3.
CO clean-upCO clean-up4.4.
Stato dell’arteStato dell’arte5.5.
HYGen I – ITAE’s HYdrogen Generator PrototypeHYGen I – ITAE’s HYdrogen Generator Prototype7.7.
ConclusioniConclusioni8.8.
Steam Reforming (SR)Steam Reforming (SR)
Partial Oxidation (POX)Partial Oxidation (POX)
Autothermal Reforming (AR)Autothermal Reforming (AR)
SommarioSommario1.1. IntroduzioneIntroduzione
Programmi internazionali e nazionaliProgrammi internazionali e nazionali6.6.
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Sistema diSistema diCO Clean-up a due stadiCO Clean-up a due stadi
CO Clean-upCO Clean-up
Low Temperature Shift Converter (LTSC)Low Temperature Shift Converter (LTSC)1.1.
CO + HCO + H22O O CO CO22 + H + H22 H = - 40.6 kJ/mol
Preferential Oxidation (PrOx)Preferential Oxidation (PrOx)2.2.
CO + ½ OCO + ½ O22 CO CO22
HH22 + ½ O + ½ O22 HH22OO
H = - 242 kJ/mol
H = - 283 kJ/mol
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Purificazione Purificazione dell’Idrogenodell’Idrogeno
CO Clean-upCO Clean-up
Metodi FisiciMetodi Fisici Metodi ChimiciMetodi Chimici
PSA (Pressure Swing Adsorption) PSA (Pressure Swing Adsorption)
Membrane:Membrane:
- metalliche (Pd o leghe)- metalliche (Pd o leghe)
- polimeriche- polimeriche
- ceramiche- ceramiche
PROXPROX
MetanazioneMetanazione
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CombustibiliCombustibili2.2.
Processi di reformingProcessi di reforming3.3.
CO clean-upCO clean-up4.4.
Stato dell’arteStato dell’arte5.5.
HYGen I – ITAE’s HYdrogen Generator PrototypeHYGen I – ITAE’s HYdrogen Generator Prototype7.7.
ConclusioniConclusioni8.8.
Steam Reforming (SR)Steam Reforming (SR)
Partial Oxidation (POX)Partial Oxidation (POX)
Autothermal Reforming (AR)Autothermal Reforming (AR)
SommarioSommario1.1. IntroduzioneIntroduzione
Programmi internazionali e nazionaliProgrammi internazionali e nazionali6.6.
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Stato dell’arteStato dell’arte
Fuel Processor 50 kW Fuel Processor 50 kW benzinabenzina
(Dati PNGV)(Dati PNGV)
DurataDurata(ore)(ore)
EmissioniEmissioni
Densità di potenza/Potenza specificaDensità di potenza/Potenza specifica(W/l, W/kg)(W/l, W/kg)
Efficienza Efficienza energeticaenergetica
(%)(%)
Risposte al transitorioRisposte al transitorio(10-90% Potenza)(10-90% Potenza)
(sec)(sec)
Start-up – Potenza maxStart-up – Potenza max(min)(min)
Contenuto di CO Contenuto di CO (stato stazionario)(stato stazionario)
(ppm)(ppm)
CostiCosti($/kW)($/kW)
5.0005.000
8080
1010
10*10*
< 0.5< 0.5
Cerchio interno Obiettivi 2000Cerchio esterno Obiettivi 2004Asterisco Stato attuale
11
750750
<Tier II*<Tier II*
2.0002.000
78*78*
3030< 1< 1
600600
33
1.000*1.000*
85*85*6*6*
15*15*
300*300*
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Processi di ReformingProcessi di Reforming
SOCIETÀSOCIETÀ CARBURANTECARBURANTE REFORMINREFORMINGG
Processi di Processi di conversione conversione
COCO Stato della Stato della tecnologiatecnologia
capacità maxcapacità max
(densità di (densità di potenza)potenza)WGSRWGSR PROPRO
XX
ADL/EPYX Benzina/Metanolo POX 50 kW (0.7 kW/l)
Daimler Benz Metanolo/Benzina SR 50 kW (1.1 kW/l)
General Motors Metanolo/Benzina SR 30 kW (0.5 kW/l)
Honda Metanolo SR
Hydrogen Burner Tech Benzina POX 7-42 kW
IFC Metanolo/Benzina SR/POX 100 kW (0.008
kW/l)
JET Propulsion lab. Benzina POX
Johnson Matthey Metanolo/Benzina SR/POX 10 kW (0.5 kW/l)
Mitsubishi Metanolo SR 10 kW (0.4 kW/l)
Nissan Metanolo SR
Toyota Metanolo SR 25 kW (0.6 kW/l)
Wellman CJB Benzina/Metanolo POX
Stato dell’arteStato dell’arte
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Applicazioni mobiliApplicazioni mobiliH2
Honda EV Plus - Honda EV Plus - 2002 Idrogeno 2002 Idrogeno
compresso compresso (disponibile per (disponibile per
leasing)leasing)
BMW Mini HydrogenBMW Mini Hydrogen - - 2001 motore 2001 motore
combustione interna combustione interna Idrogeno liquidoIdrogeno liquido
DaimlerChrysler: Citaro Bus – 2002 DaimlerChrysler: Citaro Bus – 2002 Idrogeno compresso (Madrid)Idrogeno compresso (Madrid)
Toyota FCHV 5 – 2001 Toyota FCHV 5 – 2001 Idrogeno da reforming della Idrogeno da reforming della
benzinabenzina
Stato dell’arteStato dell’arte
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Applicazioni mobiliApplicazioni mobiliH2
CRF: Centro Ricerche FIATCRF: Centro Ricerche FIATFiat Seicento – IdrogenoFiat Seicento – Idrogeno
Presentazione ufficiale:Presentazione ufficiale:Milano - ottobre 2003Milano - ottobre 2003
Numero posti: 4Numero posti: 4
Velocità max: 130 km/hVelocità max: 130 km/h
Autonomia: 220 km (ciclo urbano)Autonomia: 220 km (ciclo urbano)
Capacità serbatoio: 1,6 kgCapacità serbatoio: 1,6 kg
Costi di investimento: 500mila euroCosti di investimento: 500mila euro
Caratteristiche principali:
Stato dell’arteStato dell’arte
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Applicazioni stazionarieApplicazioni stazionarieH2
Ballard Power System: Impianto Ballard Power System: Impianto PEFC 250 kWe Gas naturalePEFC 250 kWe Gas naturale9 unità tra il 1999 e il 2004 9 unità tra il 1999 e il 2004
Berlin, Berlin, GermanyGermany
Crane, Crane, IndianaIndiana
IdaTech FCS NG – 5 kWe IdaTech FCS NG – 5 kWe Gas naturale o propanoGas naturale o propano
20 unità 2001 – 80 unità 200220 unità 2001 – 80 unità 2002
Nuvera Fuel CellsNuvera Fuel Cells
Unità PEFC 5 kWeUnità PEFC 5 kWeGas naturale o Gas naturale o
PropanoPropano
Unità PEFC 1 Unità PEFC 1 kWe IdrogenokWe Idrogeno
PlugPower GenSysPlugPower GenSys5 kWe - Gas naturale5 kWe - Gas naturale
13 unità in Europa13 unità in Europa
Stato dell’arteStato dell’arte
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L’impegno del CNR-ITAEL’impegno del CNR-ITAEH2
Prototipo di generatore di idrogenoPrototipo di generatore di idrogeno
da 5 kWe alimentato a Propanoda 5 kWe alimentato a Propano
Stato dell’arteStato dell’arte
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CombustibiliCombustibili2.2.
Processi di reformingProcessi di reforming3.3.
CO clean-upCO clean-up4.4.
Stato dell’arteStato dell’arte5.5.
HYGen I – ITAE’s HYdrogen Generator PrototypeHYGen I – ITAE’s HYdrogen Generator Prototype7.7.
ConclusioniConclusioni8.8.
Steam Reforming (SR)Steam Reforming (SR)
Partial Oxidation (POX)Partial Oxidation (POX)
Autothermal Reforming (AR)Autothermal Reforming (AR)
SommarioSommario1.1. IntroduzioneIntroduzione
Programmi internazionali e nazionaliProgrammi internazionali e nazionali6.6.
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Obiettivi DOE per le celle a Obiettivi DOE per le celle a combustibile nel trasporto combustibile nel trasporto
(PEFC)(PEFC)Entro il 2004, sviluppo e validazione delle tecnologie di sistemi di Entro il 2004, sviluppo e validazione delle tecnologie di sistemi di potenza di fuel-flexible fuel cell al fine di raggiungere in confronto al potenza di fuel-flexible fuel cell al fine di raggiungere in confronto al motore a combustione interna:motore a combustione interna:
costi, prestazioni, durata, sicurezza ed affidabilità competitivi
Strategie seguite:
On-Board:On-Board: Fuel flexible fuel processor (con le attuali infrastrutture per i combustibili)
obiettivo primario: Combustibile-benzina
Off-BoardOff-Board: Generazione di idrogeno (nuove infrastrutture per i combustibili che portino ad una energia rinnovabile e sostenibile)
accumulo di H2 On-Board
generazione di H2 Off-Board
Programmi internazionali e nazionaliProgrammi internazionali e nazionali
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PNGV TimelinePNGV Timeline
19931993 19971997 19981998 20002000 20042004TechnologyTechnologyCandidatesCandidates Hybrid-Electric Fuel Cells CIDI Engines Turbines Stirling Low Emissions Technologies New Materials Advanced design
Simulations Efficient Electronics/
Electrical Devices Advanced Batteries Ultra-Capacitors/
Flywheels
TechnologyTechnologyDownselectDownselect Hybrid-Electric
Vehicle Drive Direct-InJection
Engines Fuel Cells Lightweight Mat’Is
ConceptConceptVehiclesVehicles
DaimlerChryslerJeep Commander
Ford P2000GM Precept
PRODUCTION PRODUCTION PROTOTYPESPROTOTYPES
Programmi internazionali e nazionaliProgrammi internazionali e nazionali
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California Fuel California Fuel Cell Project 1999-Cell Project 1999-
20042004
GOVERNMENT MEMBERSGOVERNMENT MEMBERSFUELFUEL
PROVIDERSPROVIDERSAUTO/TECHNOLOGY AUTO/TECHNOLOGY
PROVIDERSPROVIDERS
California Air Resources Board BP (originally Arco) DaimlerChrysler
California Energy Commission Shell Hydrogen Ford Motor CompanySouth Coast Air Quality Man. Dist. Texaco Honda
US Department of Energy Methanex* HyundaiUS Department of Transportation Air Products* Nissan
AC Transit Agency* Linde, AG* VolkswagenSunLine Transit Agency* Praxair* Ballard Power Systems
*Associate member International Fuel Cell (IFC)
Programmi internazionali e nazionaliProgrammi internazionali e nazionali
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California Fuel California Fuel Cell Project 1999-Cell Project 1999-
20042004
Light-Duty Demonstration ActivityLight-Duty Demonstration Activity FuelsFuels ScheduleSchedulePhase I Program development NA 1999
Phase II Up to 20 light-duty vehicles demonstrated Hydrogen 2000 to
2001
Phase III Up to 56 light-duty vehicles demonstrated
MeOH/Gasol.
2002 to 2003
Transit Bus Demonstration ActivityTransit Bus Demonstration Activity FuelsFuels ScheduleSchedule
Phase I 1 FC bus demonstrated (SunLine) Hydrogen 2000 to 2001
Phase II 4 FC buses in two transit districts Hydrogen 2002
Phase III 20 FC buses in four transit districts Hydrogen 2002 to 2003
Programmi internazionali e nazionaliProgrammi internazionali e nazionali
Consiglio Nazionale delle Ricerche
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The FreedomCAR PartnershipThe FreedomCAR Partnership
Progetto partito nel Gennaio 2002Progetto partito nel Gennaio 2002
- Partners: U.S. Department of Energy
U.S. Council for Automotive Research
Approccio:Approccio:
- Sviluppare tecnologie in grado di garantire una produzione in massa di veicoli a celle a combustibile ed assicurare una adeguata infrastruttura per l’idrogeno
- Sviluppare tecnologie in grado di garantire sia l’accumulo che la produzione di idrogeno on board.
Programmi internazionali e nazionaliProgrammi internazionali e nazionali
Consiglio Nazionale delle Ricerche
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Il VI Programma Quadro diIl VI Programma Quadro diRicerca & Sviluppo TecnologicoRicerca & Sviluppo Tecnologico
Spazio Europeo della Ricerca – Un’economia basata sulla Spazio Europeo della Ricerca – Un’economia basata sulla conoscenzaconoscenza
Necessità di investire per migliorare i fattori competitivi dell’Unione attraverso la creazione di una “riserva” di conoscenza da utilizzare a medio-lungo termine
Importanza crescente della R&S
Principi basePrincipi base
Focalizzazione, integrazione, numero limitato di priorità, miglioramento dell’impatto
Effetto strutturale (sostenibilità successiva)
Progetti multipli (programmi coerenti)
Approccio problem solving (coerenza tra obiettivi e attività)
Consiglio Nazionale delle Ricerche
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Il VI Programma Quadro diIl VI Programma Quadro diRicerca & Sviluppo TecnologicoRicerca & Sviluppo Tecnologico
INTEGRARE LA RICERCA (13.345 MEUR)INTEGRARE LA RICERCA (13.345 MEUR)Aree tematiche prioritarie
Genomica e biotecnologie per la salute (2.255 MEUR)
Tecnologie per la società dell’informazione (3.625 MEUR)
Nanotecnologie…, materiali…, processi di produzione (1.300 MEUR)
Aeronautica e spazio (1.075 MEUR)
Qualità, sicurezza alimentare e rischi per la salute (685 MEUR)
Sviluppo sostenibile, cambiamento globale ed ecosistemi (2120 MEUR)
Energia (810 MEUR)
Trasporti (610 MEUR)
Cambiamento globale ed ecosistemi (700 MEUR)
Cittadini e governance nella società europea della conoscenza (225 MEUR)
Attività specifiche riguardanti un settore di ricerca più ampio (1.300 MEUR)
Consiglio Nazionale delle Ricerche
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Programma MIUR (1999-Programma MIUR (1999-2002)2002)
Sviluppo di un Sviluppo di un sistema di generazione completo di sistema di generazione completo di potenza 10-15 kWpotenza 10-15 kW che utilizza gas naturale come che utilizza gas naturale come combustibilecombustibile
Organizzazioni coinvolte nel programmaOrganizzazioni coinvolte nel programma
ENEA, CNR-ITAE, Nuvera Fuel Cells, Centro Ricerche Fiat, Politecnico di Milano, Università di Brescia, Genova e Roma
CostoCosto
3.744.312 Euro (contributo MIUR 44%)
CNR-ITAECNR-ITAE
Progettazione e realizzazione di un prototipo di generazione di idrogeno
Programmi internazionali e nazionaliProgrammi internazionali e nazionali
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Programma FISR (bando Programma FISR (bando 2001)2001)
Attività 2003-2004Attività 2003-2004
Sviluppo di tecnologie e componenti per sistemi Sviluppo di tecnologie e componenti per sistemi con Celle a Combustibile ad elettrolita polimericocon Celle a Combustibile ad elettrolita polimerico
Organizzazioni coinvolte nel programmaOrganizzazioni coinvolte nel programma
ENEA, CNR-ITAE, Roen Est, Università di Messina, Genova, Salerno, istituto CNR Motori, Istituto CNR Combustione, Politecnico Torino.
Costo totale progetto: 2.875.632 Euro (contributo MIUR 49%)
Sottoprogetto SP2:Sottoprogetto SP2:
Sviluppo catalizzatori per sistemi di trattamento del combustibile (GPL)
Costo: 624.910 Euro
Programmi internazionali e nazionaliProgrammi internazionali e nazionali
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CombustibiliCombustibili2.2.
Processi di reformingProcessi di reforming3.3.
CO clean-upCO clean-up4.4.
Stato dell’arteStato dell’arte5.5.
HYGen I – ITAE’s HYdrogen Generator PrototypeHYGen I – ITAE’s HYdrogen Generator Prototype7.7.
ConclusioniConclusioni8.8.
Steam Reforming (SR)Steam Reforming (SR)
Partial Oxidation (POX)Partial Oxidation (POX)
Autothermal Reforming (AR)Autothermal Reforming (AR)
SommarioSommario1.1. IntroduzioneIntroduzione
Programmi internazionali e nazionaliProgrammi internazionali e nazionali6.6.
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Key featuresKey features
The Prototype is currently under testing
Feed: Light Hydrocarbons (propane, methane, LPG)
Net Size (mm) Width:Width: 870870
Length:Length: 880880
Height:Height: 970970
Theoretical Efficiency
(Hydrogen HHV/Propane HHV):76%76%
Nominal Hydrogen Production: 2 Nm2 Nm33/h/h
Maximum Hydrogen Production: 5 Nm5 Nm33/h/h
Applications: Stationary
HYGen I – ITAE’s HYdrogen GeneratorHYGen I – ITAE’s HYdrogen Generator
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ObjectivesObjectives
Evaluating Reactors PerformanceEvaluating Reactors Performance
Evaluating System PerformanceEvaluating System Performance
Evaluating Transient ResponsesEvaluating Transient Responses
Identifying main limits of ReactorsIdentifying main limits of Reactors
Validating Heat and Mass BalanceValidating Heat and Mass Balance
HYGen I – ITAE’s HYdrogen GeneratorHYGen I – ITAE’s HYdrogen Generator
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Planning StagesPlanning Stages1.1. Chemical Processes AnalysisChemical Processes Analysis
Schematic Layout AnalysisSchematic Layout Analysis2.2.
Preliminary MeasuringPreliminary Measuring3.3.
3-D Model Design3-D Model Design4.4.
Chemical Processes SimulationChemical Processes Simulation5.5.
Screening Chemical ProcessesScreening Chemical Processes
Analysis of the Accessibility for Maintenance WorkAnalysis of the Accessibility for Maintenance Work
Analysis of the Functionality – Aesthetics Relationship Analysis of the Functionality – Aesthetics Relationship
Prototype AssemblyPrototype Assembly6.6.
Experimental AnalysisExperimental Analysis7.7.
HYGen I – ITAE’s HYdrogen GeneratorHYGen I – ITAE’s HYdrogen Generator
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Inspiring principles…
Fuel Processor Fuel Processor ApproachingApproaching
We are sure that…
Everything is improvableEverything is improvable
Complex answers are in simple questionsComplex answers are in simple questions
“ “Project Dynamics”Project Dynamics”
Continuous and Parallel “Information Update”Continuous and Parallel “Information Update”
“ “Results flexibility” – (scale - up)Results flexibility” – (scale - up)
Identifying and Optimization “Planning Stages”Identifying and Optimization “Planning Stages”
HYGen I – ITAE’s HYdrogen GeneratorHYGen I – ITAE’s HYdrogen Generator
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Chemical Processes’ Chemical Processes’ Study: ObjectivesStudy: Objectives
Developing Prioprietary CatalystDeveloping Prioprietary Catalyst
suitable for AutoThermal Reforming (ATR)suitable for AutoThermal Reforming (ATR)
Searching and Selecting Commercial CatalystSearching and Selecting Commercial Catalyst
suitable for Preferential Oxidation (PROX)suitable for Preferential Oxidation (PROX)
Searching and Selecting Commercial Catalyst Searching and Selecting Commercial Catalyst
suitable for Water Gas Shift Reaction (WGSR)suitable for Water Gas Shift Reaction (WGSR)
HYGen I – ITAE’s HYdrogen GeneratorHYGen I – ITAE’s HYdrogen Generator
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We worked with…
The Engineering The Engineering Approach to the Fuel Approach to the Fuel
ProcessorProcessor
Excel SpreadsheetExcel Spreadsheet
Preliminary Measuring.Preliminary Measuring.
CAD 2-D, 3-D ModelingCAD 2-D, 3-D Modeling
Schematic Layout and System Design.Schematic Layout and System Design.
FEMLAB SimulationFEMLAB Simulation
Mathematic Modeling.Mathematic Modeling.
LabVIEWLabVIEW
Data Acquisition and Instruments Data Acquisition and Instruments Control.Control.
HYGen I – ITAE’s HYdrogen GeneratorHYGen I – ITAE’s HYdrogen Generator
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Piping and Piping and InstrumentationInstrumentationDiagram (P&ID)Diagram (P&ID)
HYGen I – ITAE’s HYdrogen GeneratorHYGen I – ITAE’s HYdrogen Generator
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ATR ReactorATR Reactor PROX ReactorPROX ReactorIT SHIFT ReactorIT SHIFT Reactor
Heat Exchangers “Plates in Heat Exchangers “Plates in Shell”Shell”
PEFC StackPEFC Stack
C3H8+X(O2+3.76 N2)
Out ATR Out ATR Composition on Composition on
dry basis, Ndry basis, N22 freefree
HH22 56.16 % 56.16 %
COCO22 25.00 %25.00 %
COCO 18.48 %18.48 %
Water ReservoirWater Reservoir
Out IT SHIFT Out IT SHIFT Composition on Composition on dry basis, N2 dry basis, N2
freefree
HH22 62.18 62.18 % %
COCO22 36.10 36.10 %%
CO 0.8 %CO 0.8 %
Out PROX Out PROX Composition on Composition on
dry basis, Ndry basis, N22 freefree
HH22 60.74 % 60.74 %
COCO22 36.80 %36.80 %
COCO 10 ppm10 ppm
CC33HH88 1.20 %1.20 %
OO22 2.30 %2.30 %
1921.6 kcal/h (Heat Reaction)
1498.7 kcal/h (Heat Reaction)
169.0 kcal/h (Heat Reaction)
AIR
744.7 kcal/h (Heat Transfer)
521.0 kcal/h (Heat Transfer)
549.1 kcal/h (Heat Add)
910.2 kcal/h (Heat Less)
521.0 kcal/h (Heat Less)
HYGen IHYGen IHHVHHV= = 76%76%
Temperature:600600°C°C Temperature:330330
°C°C
Temperature:120120°C°C
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Expected Heat and Mass BalanceExpected Heat and Mass Balance
HYGen I – ITAE’s HYdrogen GeneratorHYGen I – ITAE’s HYdrogen Generator
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SizeSize
Net Size (mm)Net Size (mm)
Width:Width: 870870
Length:Length: 880880
Height:Height: 970970
Width:Width: 970970
Length:Length: 10501050
Height:Height: 11601160
Gross Size (mm)Gross Size (mm)
HYGen I – ITAE’s HYdrogen GeneratorHYGen I – ITAE’s HYdrogen Generator
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Panel ControlPanel Control
HYGen I – ITAE’s HYdrogen GeneratorHYGen I – ITAE’s HYdrogen Generator
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Feed and TestingFeed and Testing
HYGen I – ITAE’s HYdrogen GeneratorHYGen I – ITAE’s HYdrogen Generator
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Out to Vent andOut to Vent andto PEFC Stackto PEFC Stack
HYGen I – ITAE’s HYdrogen GeneratorHYGen I – ITAE’s HYdrogen Generator
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Conceptual DesignConceptual Designand Pictureand Picture
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HYGen I – ITAE’s HYdrogen GeneratorHYGen I – ITAE’s HYdrogen Generator
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ATR Reactor:ATR Reactor:inlet & outlet inlet & outlet
gasgas
GasGasoutout
GasGasinin
HYGen I – ITAE’s HYdrogen GeneratorHYGen I – ITAE’s HYdrogen Generator
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ATR ReactorATR Reactor
Internal Volume:Internal Volume: ca. 0.85 ca. 0.85 ll
Weight:Weight: ca. 7.0 kgca. 7.0 kg
HYGen I – ITAE’s HYdrogen GeneratorHYGen I – ITAE’s HYdrogen Generator
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ATR ReactorATR Reactor
ITAE’s Proprietary ITAE’s Proprietary catalystcatalyst
Micro-scale TestsMicro-scale Tests
HYGen I – ITAE’s HYdrogen GeneratorHYGen I – ITAE’s HYdrogen Generator
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Heat Exchanger Heat Exchanger “Plates in Shell”“Plates in Shell”
Internal Volume:Internal Volume: 4,3 4,3 ll
Weight (dry):Weight (dry): ca. 22,6 kgca. 22,6 kg
Internal Volume:Internal Volume: 9,3 9,3 ll
Weight (dry):Weight (dry): ca. 32,9 kgca. 32,9 kg
HYGen I – ITAE’s HYdrogen GeneratorHYGen I – ITAE’s HYdrogen Generator
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Water Water ReservoirReservoir
Weight (dry):Weight (dry): ca. 24,7 kgca. 24,7 kg
Water capability:Water capability: ca. ca. 22,0 l22,0 l
HYGen I – ITAE’s HYdrogen GeneratorHYGen I – ITAE’s HYdrogen Generator
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Phase IIPhase II Take off superior panelTake off superior panel
Phase III Phase III Take off lateral panelsTake off lateral panels
Open box Field Point Open box Field Point SystemSystem
Open anterior panelOpen anterior panel
Accessibility forAccessibility forMaintenance WorkMaintenance Work
Phase IPhase I
HYGen I – ITAE’s HYdrogen GeneratorHYGen I – ITAE’s HYdrogen Generator
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Femlab Chemical Process Femlab Chemical Process Simulation: ObjectivesSimulation: Objectives
Reagents and products Concentration Profiles in the reactorsReagents and products Concentration Profiles in the reactors
Temperature Profiles in the reactorsTemperature Profiles in the reactors
Pressure Profiles and Velocity Distribution in the reactorsPressure Profiles and Velocity Distribution in the reactors
Mass balancesMass balances
Energy balancesEnergy balances
Momentum balancesMomentum balances
HYGen I – ITAE’s HYdrogen GeneratorHYGen I – ITAE’s HYdrogen Generator
Consiglio Nazionale delle Ricerche
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Mathematic ModelingMathematic Modeling
Model ImplementationModel Implementation
Solve coupled systems of nonlinearSolve coupled systems of nonlinear
Partial Differential Equations throughPartial Differential Equations through
the Finite Element Methods (FEM)the Finite Element Methods (FEM)
Experimental ValidatingExperimental Validating
Parametric AnalysisParametric Analysis
Termochemical Reactions AnalysisTermochemical Reactions Analysis
Kinetics Reactions AnalysisKinetics Reactions Analysis
Femlab Chemical Process Femlab Chemical Process Simulation: StepsSimulation: Steps
HYGen I – ITAE’s HYdrogen GeneratorHYGen I – ITAE’s HYdrogen Generator
Consiglio Nazionale delle Ricerche
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Develop Dedicated Software using LabVIEWDevelop Dedicated Software using LabVIEW
Integration of the systemIntegration of the system
with the measurement Hardwarewith the measurement Hardware
Data Acquisition and Instruments ControlData Acquisition and Instruments Control
Results Elaboration Results Elaboration
Develop Flow-chart of the process phasesDevelop Flow-chart of the process phases
Definition Control PanelsDefinition Control Panels
Develop Architecture SoftwareDevelop Architecture Software
Experimental Study:Experimental Study:StepsSteps
HYGen I – ITAE’s HYdrogen GeneratorHYGen I – ITAE’s HYdrogen Generator
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LabVIEW System:LabVIEW System:
Data acquisition And Instruments Data acquisition And Instruments ControlControl
HYGen I – ITAE’s HYdrogen GeneratorHYGen I – ITAE’s HYdrogen Generator
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Dedicated Software:Dedicated Software:Main Panel – Individual Main Panel – Individual
orderorder
HYGen I – ITAE’s HYdrogen GeneratorHYGen I – ITAE’s HYdrogen Generator
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Dedicated Software:Dedicated Software:Electrovalves Panel-Electrovalves Panel-
SystemSystem
HYGen I – ITAE’s HYdrogen GeneratorHYGen I – ITAE’s HYdrogen Generator
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Safety LevelsSafety Levels
Protection DevicesProtection Devices Safety DevicesSafety DevicesControl DevicesControl Devices
Allow to read temperature and
pressure
Active when the controlled
parameter reach a limit value
Activated by controlled fluid and allow to maintain temperature and pressure in the
fixed range
Active Control Passive Control
Safety valve
Gas Sensor
Manometer
Monitor
Electrovalves
Pressure
Pressure
Temperature
Pressure
Backfire
Pressure
Temperature
Manostat
Pressure
HYGen I – ITAE’s HYdrogen GeneratorHYGen I – ITAE’s HYdrogen Generator
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CombustibiliCombustibili2.2.
Processi di reformingProcessi di reforming3.3.
CO clean-upCO clean-up4.4.
Stato dell’arteStato dell’arte5.5.
HYGen I – ITAE’s HYdrogen Generator PrototypeHYGen I – ITAE’s HYdrogen Generator Prototype7.7.
ConclusioniConclusioni8.8.
Steam Reforming (SR)Steam Reforming (SR)
Partial Oxidation (POX)Partial Oxidation (POX)
Autothermal Reforming (AR)Autothermal Reforming (AR)
SommarioSommario1.1. IntroduzioneIntroduzione
Programmi internazionali e nazionaliProgrammi internazionali e nazionali6.6.
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Combustibili/InfrastruttureCombustibili/Infrastrutture
Economia Economia
Avanzamenti tecniciAvanzamenti tecnici
NormativeNormative
SicurezzaSicurezza
EducazioneEducazione
ConclusioniConclusioni
H2
Riduzione dei costi Riduzione dei costi
Investimenti miratiInvestimenti mirati
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Francesco CipitìFrancesco CipitìResearch EngineerResearch Engineer
Telefono:Telefono: +39.090.624.297+39.090.624.297
Fax:Fax: +39.090.624.247+39.090.624.247
E-mail:E-mail:[email protected]@itae.cnr.it
ContattiContatti
H2