Sviluppo di una tecnologia di produzione energetica cogenerativa

Sviluppo di una tecnologia di produzione energetica cogenerativa a piccola taglia tramite gassificazione di biomasse, anche di rifiuto, additivate con clean-coke REPORT FINALE Giugno 2008 1

Introduzione L'implementazione di una tecnologia di produzione energetica cogenerativa, tramite gassificazione di biomasse, si adatta alle necessità territoriali, ambientali e logistiche della Regione Liguria • Bilancio nullo di CO 2 • Impianto di piccola taglia (distribuzione della generazione sul territorio) • Possibilità di replicare agevolmente tale tipologia d'impianto • Appetibilità economica crescente degli impianti a fonti rinnovabili (aumento costo combustibili fossili, forme di incentivazione, perfezionamento tecnologico) • Integrazione con filiere produttive consolidate • Limitata necessità di competenza per la conduzione • Recupero di terreni degradati / smaltimento residui agricoli e forestali Prof. Ferruccio Pittaluga Savona 25/06/2008 Università degli Studi di Genova Facoltà di Ingegneria DIMSET-DIPTEM Report finale. Pag. 2

La biomassa Si intende per biomassa ogni sostanza organica non fossile di origine animale o vegetale disponibile su base rinnovabile e con un intrinseco contenuto energetico di tipo chimico. Fonti residuali: residui della produzione agricola, divisi in scarti della produzione e scarti della lavorazione ●residui forestali e della produzione di legname ●residui animali (letame) ●sottoprodotti o scarti dell'industria agro-alimentare • scarti della catena di distribuzione e dei consumi finali (rifiuti organici) ● Colture energetiche: coltivazioni energetiche in terreni agricoli in eccedenza, una volta soddisfatta la domanda di prodotti agricoli ●coltivazioni energetiche in terreni degradati o ricavati dalla deforestazione. ● Prof. Ferruccio Pittaluga Savona 25/06/2008 Università degli Studi di Genova Facoltà di Ingegneria DIMSET-DIPTEM Report finale. Pag. 3

La gassificazione è la conversione di combustibili liquidi o solidi in prodotti gassosi ( miscele di monossido di carbonio, anidride carbonica, metano, idrogeno e vari idrocarburi a catena lunga ) eseguita per reazione con aria, ossigeno, vapore o loro miscele L’uso di aria produce un gas avente potere calorifico di 5, 5 -7, 5 MJ/Nm 3 che può essere agevolmente utilizzato in caldaie o in motori a combustione interna Problematiche di interesse tecnico legate a: ● scelta/ottimizzazione del tipo di biomassa da utilizzare; ● difficile controllo della dinamica della reazione all’interno del gassificatore; • presenza di contaminanti, tra cui idrocarburi a catena lunga (TARs) che condensano quando il gas viene raffreddato, causando danni alle parti meccaniche degli impianti. Prof. Ferruccio Pittaluga Savona 25/06/2008 Università degli Studi di Genova Facoltà di Ingegneria DIMSET-DIPTEM Report finale. Pag. 4

L'impianto sperimentale (1/3) Il processore è un gassificatore pirolitico di biomassa (Modello WB G 15 Caema-Ankur) di tipo “downdraft” Il processore si compone macroscopicamente di tre elementi principali: zona di carico ● tramoggia ● reattore ● Prof. Ferruccio Pittaluga Savona 25/06/2008 Università degli Studi di Genova Facoltà di Ingegneria DIMSET-DIPTEM Report finale. Pag. 5

L'impianto sperimentale (2/3) Processi termochimici innescati nel processore: ●essiccazione ●pirolisi combustione ●riduzione. ● Il lavaggio del gas viene effettuato mediante uno scrubber, un filtro a sabbia ed un filtro a maniche. L’area di generazione di potenza è costituita da un cogeneratore Fieldmarshall da 2500 cc Prof. Ferruccio Pittaluga Savona 25/06/2008 Università degli Studi di Genova Facoltà di Ingegneria DIMSET-DIPTEM Report finale. Pag. 6

L'impianto sperimentale (3/3) Configurazione originaria Prof. Ferruccio Pittaluga Savona 25/06/2008 Università degli Studi di Genova Facoltà di Ingegneria DIMSET-DIPTEM Report finale. Pag. 7

Modifiche iniziali all'impianto sostituzione del motore generatore con un aspiratore che simuli il ● tiraggio del motore stesso coibentazione del processore ● realizzazione di alloggiamenti per l'inserimento di sonde di ● temperatura sostituzione dei trasduttori di pressione ● realizzazione di prese per lo spillamento del gas a monte e a valle ● della batteria di filtri rimozione della coclea di alimentazione ● accurata pulizia interna ● Prof. Ferruccio Pittaluga Savona 25/06/2008 Università degli Studi di Genova Facoltà di Ingegneria DIMSET-DIPTEM Report finale. Pag. 8

Parametri monitorati (1/2) Processore di gassificazione: Scrubbers (sezione di lavaggio) ● profilo di temperatura interno ● temperatura di uscita del gas dal processore ● pressione del gas all'uscita dal processore ● pressione interna al processore ● composizione chimica gas ● composizione condense ● composizione ceneri valore della pressione differenziale monte/valle • pressione dell'acqua di circolazione • portata dell’acqua di circolazione Filtro a sabbia e a maniche ● • temperatura acqua di circolazione Cogeneratore • composizione fumi • carico termico recuperabile Prof. Ferruccio Pittaluga Savona 25/06/2008 Università degli Studi di Genova Facoltà di Ingegneria DIMSET-DIPTEM Report finale. Pag. 9

Parametri monitorati(2/2) Miscela di combustibili in ingresso ● caratteristiche chimico -fisiche (densita, umidità, pezzatura, potere calorifico) Aria gassificante ● rapporto aria/miscela di combustibili Ceneri e condense ● caratteristiche chimico - fisiche (densità, analisi elementare, metalli pesanti) Gas temperatura ●composizione ●caratteristiche chimico-fisiche ● Misura di portata per tutti le voci considerate Prof. Ferruccio Pittaluga Savona 25/06/2008 Università degli Studi di Genova Facoltà di Ingegneria DIMSET-DIPTEM Report finale. Pag. 10

Strumentazione di misura termocoppie Tersid ● Chromel/Alumel (K) modello MTS-10643 K-400 manometri ● digitali differenziali Digitron PM-20 misuratore di portata “a ventola” ● Testo 416 chiller ● a temperatura controllata Cole. Parmer Polystat EW-12910 micro gascromatografo ● Chrompack CP 2002 ventilatore centrifugo ● a bocca tonda C. IM. I. LM-100 -A Prof. Ferruccio Pittaluga Savona 25/06/2008 Università degli Studi di Genova Facoltà di Ingegneria DIMSET-DIPTEM Report finale. Pag. 11

Progetto della sperimentazione Fasi essenziali della sperimentazione ücaratterizzazione dei biocombustibili ü prove preliminari (miscela cippato – clean coke), ü campagna prove dettagliata (miscela cippato – clean coke), ü prove con biomasse alternative (colza – girasole), ü accoppiamento con motore a combustione interna. Prof. Ferruccio Pittaluga Savona 25/06/2008 Università degli Studi di Genova Facoltà di Ingegneria DIMSET-DIPTEM Report finale. Pag. 12

Caratterizzazione biocombustibile (1/9) La campagna di prove ha previsto l’utilizzo di quattro diverse miscele di cippato/carbone di legna: ü 100% cippato di legna, ü 90% cippato di legna e 10% carbone di legna, ü 80% cippato di legna e 20% carbone di legna, ü 70% cippato di legna e 30% carbone di legna. Preliminarmente, è stata condotta la fase di caratterizzazione di tali miscele, analizzando dapprima i singoli componenti: il cippato ed il carbone di legna. Prof. Ferruccio Pittaluga Savona 25/06/2008 Università degli Studi di Genova Facoltà di Ingegneria DIMSET-DIPTEM Report finale. Pag. 13

Caratterizzazione biocombustibile (2/9) Cippato di legna Per quanto concerne la caratterizzazione del cippato di legna sono stati monitorati i seguenti parametri: ü umidità ü massa volumica ü peso ü potere calorifico ü provenienza ü pezzatura La caratterizzazione è stata effettuata su di una popolazione parziale di biocombustibile. Alcune misurazioni come peso, volume e densità sono state effettuate su campioni di 3 kg ciascuno, mentre altre come contenuto idrico e potere calorifico inferiore su campioni da 200 g ciascuno. Le misure della pezzatura sono state effettuate su una popolazione costituita da 1000 elementi di cippato per ogni campione. Prof. Ferruccio Pittaluga Savona 25/06/2008 Università degli Studi di Genova Facoltà di Ingegneria DIMSET-DIPTEM Report finale. Pag. 14

Caratterizzazione biocombustibile (3/9) Cippato di legna – contenuto idrico L’analisi del contenuto idrico è stata condotta su una popolazione di 5 campioni di cippato. Per ogni campione tale parametro è stato misurato portando il cippato alla temperatura di 120° C e mantenendola per un tempo di circa 8 ore. Prof. Ferruccio Pittaluga Savona 25/06/2008 Università degli Studi di Genova Facoltà di Ingegneria DIMSET-DIPTEM Report finale. Pag. 15

Caratterizzazione biocombustibile (4/9) Cippato di legna – massa volumica e peso Le misurazioni della massa volumica e del peso sono state effettuate utilizzando un contenitore rigido avente un volume di 0, 012 m 3. Prof. Ferruccio Pittaluga Savona 25/06/2008 Università degli Studi di Genova Facoltà di Ingegneria DIMSET-DIPTEM Report finale. Pag. 16

Caratterizzazione biocombustibile (5/9) Cippato di legna – potere calorifico inferiore Determinazione tramite utilizzo di correlazioni empiriche Prof. Ferruccio Pittaluga Savona 25/06/2008 Università degli Studi di Genova Facoltà di Ingegneria DIMSET-DIPTEM Report finale. Pag. 17

Caratterizzazione biocombustibile (6/9) Cippato di legna – pezzatura Da ogni campione di cippato analizzato (N° = 5) è stato prelevato un’ulteriore campione di 1000 pezzi di cui si è misurato la composizione fisica (presenza di corteccia o meno), la lunghezza e la larghezza. Picco di concentrazione corrispondente alla lunghezza di 3 cm (25, 02%) Prof. Ferruccio Pittaluga Savona 25/06/2008 Università degli Studi di Genova Facoltà di Ingegneria DIMSET-DIPTEM Report finale. Pag. 18

Caratterizzazione biocombustibile (7/9) Cippato di legna – larghezza Larghezza del cippato in funzione della percentuale di popolazione (%); si evidenzia un picco di concentrazione corrispondente alla larghezza di 1 cm (48, 12%) Prof. Ferruccio Pittaluga Savona 25/06/2008 Università degli Studi di Genova Facoltà di Ingegneria DIMSET-DIPTEM Report finale. Pag. 19

Caratterizzazione biocombustibile (8/9) Clean-coke E’ in assoluto il migliore combustibile solido, dal momento che è un buon riducente, non fa fumo, s'infiamma e brucia facilmente sviluppando un potere calorifico di circa 7500 -8. 000 kcal per kg. Sostanzialmente questo combustibile è il residuo solido del litantrace: se la temperatura ha superato i 1000 ºC si ottiene carbonio quasi puro; ha soltanto il 2 -3% di ceneri e il 12 -15% di materie volatili. Prof. Ferruccio Pittaluga Savona 25/06/2008 Università degli Studi di Genova Facoltà di Ingegneria DIMSET-DIPTEM Report finale. Pag. 20

Caratterizzazione biocombustibile (9/9) Clean coke – contenuto idrico La presenza di contenuto idrico nel coke è probabilmente da attribuirsi alla permanenza dello stesso in luoghi umidi che fanno si che le microporosità della materia si riempiano di umidità Prof. Ferruccio Pittaluga Savona 25/06/2008 Università degli Studi di Genova Facoltà di Ingegneria DIMSET-DIPTEM Report finale. Pag. 21

Caratterizzazione miscela (1/2) Miscela cippato – clean coke Per ognuna di queste miscele sono stati scelti cinque campioni da 200 g ciascuno e si sono ripetute le prove già svolte per i combustibili puri, trascurando però la pezzatura. Miscela “ 90 -10” Prof. Ferruccio Pittaluga Savona 25/06/2008 Università degli Studi di Genova Facoltà di Ingegneria DIMSET-DIPTEM Report finale. Pag. 22

Caratterizzazione miscela (2/2) Miscela “ 80 -20” Miscela “ 70 -30” Prof. Ferruccio Pittaluga Savona 25/06/2008 Università degli Studi di Genova Facoltà di Ingegneria DIMSET-DIPTEM Report finale. Pag. 23

Conduzione delle campagne di prova preliminari (1/2) Queste prove sono state svolte per ottimizzare il settaggio di tutti i parametri dell’impianto ed ottenere indicazioni preliminari in merito a: • Risposta del sistema a variazioni della portata d’aria in aspirazione • Cadute di pressione all’interno del sistema • Effetti sul funzionamento legati alle operazioni di reintegro combustibile • Considerazioni generali sul funzionamento prolungato dell’impianto Le prove preliminari sono state condotte impiegando: • Miscela 0% di clean-coke (solo cippato) • Miscela 10% di clean-coke • Miscela 20% di clean-coke • Miscela 30% di clean-coke Prof. Ferruccio Pittaluga Savona 25/06/2008 Università degli Studi di Genova Facoltà di Ingegneria DIMSET-DIPTEM Report finale. Pag. 24

Conduzione delle campagne di prova preliminari (2/2) Le prove preliminari hanno permesso di determinare: • Dipendenza funzionale delle prestazioni del gassificatore dalla portata d’aria in aspirazione • Portata d’aria ottimale per la conduzione delle prove definitive Al fine di determinare la dipendenza funzionale dalla portata ed il suo valore ottimale sono state approntate le seguenti prove: • Alimentazione con miscela al 10% di clean-coke • Funzionamento in assenza di aspirazione meccanica gas (solo scrubbers): ca. 10 m 3/h • Funzionamento in presenza di aspirazione meccanica: ca. 20 m 3/h • Rilevamento temperature di processo a regime dopo ogni variazione di portata Prof. Ferruccio Pittaluga Savona 25/06/2008 Università degli Studi di Genova Facoltà di Ingegneria DIMSET-DIPTEM Report finale. Pag. 25

Effetti dell’aspirazione meccanica forzata del syngas: • Aumento significativo delle temperature nelle zone “attive” del gassificatore • Innesco fenomeni di cracking del TAR nel reattore incremento carbonio disponibile nel syngas • Magnificazione fenomeni di riduzione di CO 2 incremento carbonio disponibile nel syngas Prof. Ferruccio Pittaluga Savona 25/06/2008 Università degli Studi di Genova Facoltà di Ingegneria DIMSET-DIPTEM Report finale. Pag. 26

Determinazione portata d’aria aspirata ottimale Operativamente effettuando: • Variazione parametrica della portata d’aria aspirata • Rilevamento andamenti di temperatura nel reattore Per la conduzione delle prove definitive è stata scelta portata iniziale pari a 40 m 3/h, poichè: • Limitato effetto nell’incremento della temperatura del reattore, causato da ridotto tempo di residenza dell’aria nella zona di gassificazione, passando da 40 m 3/h a 50 m 3/h. • Necessità di contenere l’aumento del contenuto di CO 2 del syngas Prof. Ferruccio Pittaluga Savona 25/06/2008 Università degli Studi di Genova Facoltà di Ingegneria DIMSET-DIPTEM Report finale. Pag. 27

Determinazione cadute di pressione all’interno del sistema (1/3) Nel corso delle prove preliminari sono state continuità monitorate gli andamenti delle pressioni significative del sistema: • Pressione all’interno del reattore • Pressione del gas in uscita dal reattore • Cadute di pressione attraverso i filtri a sabbia e a maniche Queste prove sono state condotte in assenza di aspirazione forzata ed alimentando l’impianto con cippato di legna al 100% Prof. Ferruccio Pittaluga Savona 25/06/2008 Università degli Studi di Genova Facoltà di Ingegneria DIMSET-DIPTEM Report finale. Pag. 28

Determinazione cadute di pressione all’interno del sistema (2/3) Pressioni camera e gas estratto Cadute di pressione attraverso i filtri Prof. Ferruccio Pittaluga Savona 25/06/2008 Università degli Studi di Genova Facoltà di Ingegneria DIMSET-DIPTEM Report finale. Pag. 29

Determinazione cadute di pressione all’interno del sistema (3/3) Dal rilevamento delle pressioni di interesse nel corso delle prove preliminari sono state tratte alcune indicazioni funzionali: • Risultati fortemente coerenti e ripetitivi • Stabilità nel tempo della depressione realizzata nel reattore • Decremento della pressione del gas in uscita dovuto allo sporcamento progressivo, sempre riscontrato, dei condotti di deduzione del syngas prodotto. • Caduta di pressione attraverso i filtri con andamento crescente iniziale (repentino sporcamento iniziale dei filtri) e successivamente fluttuante, ma su valori medi sostanzialmente costanti, indice del raggiungimento di condizioni di funzionamento dei filtri, a regime, stabili. Prof. Ferruccio Pittaluga Savona 25/06/2008 Università degli Studi di Genova Facoltà di Ingegneria DIMSET-DIPTEM Report finale. Pag. 30

Effetti delle operazioni di reintegro combustibile (1/2) Nel corso delle prove preliminari sono stati registrati gli effetti sulle temperature interne del sistema dovuti ai reintegri di combustibile. Le condizioni di prova sono state, in questo caso: • Alimentazione con solo cippato di legna. • Portata gas 20 m 3/h • Reintegri di 15 kg di combustibile alle ore 14. 45 e 15. 25 Prof. Ferruccio Pittaluga Savona 25/06/2008 Università degli Studi di Genova Facoltà di Ingegneria DIMSET-DIPTEM Report finale. Pag. 31

Effetti delle operazioni di reintegro combustibile (2/2) Gli effetti registrati hanno condotto alle seguenti valutazioni: • L’immissione di carica fresca comporta sottrazione di energia termica alle sezioni superiori del gassificatore determinando cadute di temperatura nella zona di carico e nel cono • La caduta di temperatura nella zona di carico risulta essere pressoché immediata • La caduta di temperatura nel cono ha un ritardo di ca. 40 minuti • La temperatura nella zona del reattore non viene influenzata dalle operazioni di reintegro combustibile • Al fine di garantire, quanto più possibile, condizioni di funzionamento stabili a tutte le parti del sistema, risulta preferibile eseguire reintegri frequenti e di minore entità Prof. Ferruccio Pittaluga Savona 25/06/2008 Università degli Studi di Genova Facoltà di Ingegneria DIMSET-DIPTEM Report finale. Pag. 32

Considerazioni sul funzionamento prolungato dell’impianto La conduzione delle prove preliminari ha consentito alcune considerazioni sulle prestazioni dell’impianto in condizioni di funzionamento prolungato: • Tutte le prove condotte hanno evidenziato la diminuzione della produttività dell’impianto, con riduzione della portata di syngas prodotto del 30% - 40% rispetto al valore iniziale • La riduzione della produttività è legata al rapido sporcamento delle sezioni di passaggio del syngas, a causa degli abbondanti depositi di TAR condensato e residui carboniosi. Prof. Ferruccio Pittaluga Savona 25/06/2008 Università degli Studi di Genova Facoltà di Ingegneria DIMSET-DIPTEM Report finale. Pag. 33

Considerazioni operative per le campagne di prova definitive I risultati delle prove preliminari hanno permesso di determinare nuove condizioni per la conduzione delle prove definitive: Dato il rapido decremento prestazionale dell’impianto, a fronte di una notevolissima mole di dati ricavati in fase preliminare, è stata ridotta a 12 ore la durata delle prove definitive, inizialmente pianificata di 36 ore. Il piano delle prove definitive si è così determinato: • Caratterizzazione completa (parametri fisici e chimici) della condizione di alimentazione con solo cippato di legna • Caratterizzazione parziale (parametri fisici) della condizione di alimentazione con miscela al 20% di clean-coke • Caratterizzazione completa (parametri fisici e chimici) della condizione di alimentazione con miscela al 30% di clean-coke. Prof. Ferruccio Pittaluga Savona 25/06/2008 Università degli Studi di Genova Facoltà di Ingegneria DIMSET-DIPTEM Report finale. Pag. 34

Campagna di prove definitive (1/2) Con riguardo alle prove definitive: • Si è proceduto a caratterizzare completamente gli estremi delle miscele proposte, ovvero miscela di cippato e clean coke al 30% e cippato di legna al 100%. • Ritenuti significativi ai fini della caratterizzazione periodi di 6 ore • La riduzione graduale della portata in uscita dal reattore non ha permesso di condurre i test a portata realmente costante • A causa di quanto sopra, si è riscontrata una diminuzione graduale nel corso dei test del rapporto aria combustibile, realizzando quindi una variazione progressiva. Prof. Ferruccio Pittaluga Savona 25/06/2008 Università degli Studi di Genova Facoltà di Ingegneria DIMSET-DIPTEM Report finale. Pag. 35

Campagna di prove definitive (2/2) Analisi condotte per le prove definitive: ü analisi chimiche sul combustibile; ü analisi chimiche sul gas di sintesi prodotto; ü analisi chimiche sulle ceneri/CHAR; ü analisi chimiche sulle condense; ü rilevamento delle grandezze fisiche operative di esercizio (portate, temperature, pressioni) Per compiere le analisi sul gas di sintesi si è atteso che il sistema raggiungesse condizioni di regime. Successivamente si sono realizzati set di analisi del syngas utilizzando il microgascromatografo (prelievi on-line ogni 5 minuti). Prof. Ferruccio Pittaluga Savona 25/06/2008 Università degli Studi di Genova Facoltà di Ingegneria DIMSET-DIPTEM Report finale. Pag. 36

Andamento di temperature e portata nel processore con 100%cippato Prof. Ferruccio Pittaluga Savona 25/06/2008 Università degli Studi di Genova Facoltà di Ingegneria DIMSET-DIPTEM Report finale. Pag. 37

Composizione primo set Primo set di prova: • 100% cippato • Portata 24 m 3/h Prof. Ferruccio Pittaluga Savona 25/06/2008 Università degli Studi di Genova Facoltà di Ingegneria DIMSET-DIPTEM Report finale. Pag. 38

Composizione secondo set Secondo set di prova: • 100% cippato • Portata 17 m 3/h Prof. Ferruccio Pittaluga Savona 25/06/2008 Università degli Studi di Genova Facoltà di Ingegneria DIMSET-DIPTEM Report finale. Pag. 39

Andamento di temperature e portata nel processore con 30% clean-coke Prof. Ferruccio Pittaluga Savona 25/06/2008 Università degli Studi di Genova Facoltà di Ingegneria DIMSET-DIPTEM Report finale. Pag. 40

Composizione primo set Primo set di prova: • 70% cippato – 30% clean-coke • Portata 30 m 3/h Prof. Ferruccio Pittaluga Savona 25/06/2008 Università degli Studi di Genova Facoltà di Ingegneria DIMSET-DIPTEM Report finale. Pag. 41

Composizione secondo set Secondo set di prova: • 70% cippato – 30% cleancoke • Portata 22 m 3/h Prof. Ferruccio Pittaluga Savona 25/06/2008 Università degli Studi di Genova Facoltà di Ingegneria DIMSET-DIPTEM Report finale. Pag. 42

Comparazione risultati - composizione Valori medi sull’intera prova 70% cippato – 30% clean-coke 100% cippato Prof. Ferruccio Pittaluga Savona 25/06/2008 Università degli Studi di Genova Facoltà di Ingegneria DIMSET-DIPTEM Report finale. Pag. 43

Comparazione risultati - residui Riferiti rispettivamente: • 100% cippato • 70% cippato – 30% clean-coke Prof. Ferruccio Pittaluga Savona 25/06/2008 Università degli Studi di Genova Facoltà di Ingegneria DIMSET-DIPTEM Report finale. Pag. 44

Comparazione risultati – bilancio (1/2) 100% cippato Prof. Ferruccio Pittaluga Savona 25/06/2008 70% cippato – 30% clean-coke Università degli Studi di Genova Facoltà di Ingegneria DIMSET-DIPTEM Report finale. Pag. 45

Comparazione risultati – bilancio (2/2) Bilancio energetico globale: • 100% cippato Bilancio energetico globale: • 70% cippato – 30% clean-coke Prof. Ferruccio Pittaluga Savona 25/06/2008 Università degli Studi di Genova Facoltà di Ingegneria DIMSET-DIPTEM Report finale. Pag. 46

Risultati per pellet di colza Andamento temperature Composizione chimica • Potere calorifico inferiore: 967 kcal/nmc Prof. Ferruccio Pittaluga Savona 25/06/2008 Università degli Studi di Genova Facoltà di Ingegneria DIMSET-DIPTEM Report finale. Pag. 47

Risultati per pellet di girasole Andamento temperature Composizione chimica • Potere calorifico inferiore: 1076 kcal/nmc Prof. Ferruccio Pittaluga Savona 25/06/2008 Università degli Studi di Genova Facoltà di Ingegneria DIMSET-DIPTEM Report finale. Pag. 48

Considerazioni sulle biomasse alternative • La pezzatura del pellet è risultata essere troppo piccola e regolare, determinando maggiori difficoltà all’uniforme transito dell’aria attraverso la colonna di combustibile. • Il contenuto oleaginoso che permane nel pellet costituisce un problema in quanto dà origine a fenomeni di pirolisi liquida e conseguente solidificazione che portano al rapido intasamento di sezioni del processore. • Pur non riuscendo ad ottimizzare del tutto i parametri di gassificazione per i problemi sopra riportati, il potere calorifico del gas prodotto risulta essere comunque elevato rendendo sicuramente potenzialmente interessante l’impiego di pellet. • Da un punto di vista operativo si osserva comunque come l’utilizzo del pellet determini maggiori sporcamenti dell’impianto. Di conseguenza le operazioni di pulizia e manutenzione ordinaria dell’impianto dovrebbero rendersi maggiormente frequenti. Prof. Ferruccio Pittaluga Savona 25/06/2008 Università degli Studi di Genova Facoltà di Ingegneria DIMSET-DIPTEM Report finale. Pag. 49

Elementi di cogenerazione (1/4) La cogenerazione è la generazione contemporanea ed in cascata, a partire dalla fonte energetica primaria, di energia elettrica e termica. Presenta significativi vantaggi energetico-ambientali: • risparmi di energia primaria pari mediamente valutabili al 20 -30% • riduzione delle emissioni climalteranti (in particolare CO 2) connessi al risparmio di energia primaria Flussi energetici: sistema cogenerativo • minori perdite di distribuzione per il sistema elettrico nazionale (impianti di piccola taglia) • sostituzione di modalità di fornitura di calore più inquinanti Flussi energetici: sistema convenzionale Prof. Ferruccio Pittaluga Savona 25/06/2008 Università degli Studi di Genova Facoltà di Ingegneria DIMSET-DIPTEM Report finale. Pag. 50

Elementi di cogenerazione (2/4) Sono disponibili applicazioni basate su diverse tecnologie cogenerative, in funzione della taglia cui è necessario fare riferimento: Range standard di Rendimento (valori tipici) potenza elettrico Rendimento complessivo impianto (rendimento elettrico e termico) Combustibile Vantaggi Turbine a gas Motori alternativi Turbina a vapore Ciclo combinato gasvapore 1 MW - 250 MW 0. 01 MW - 5 MW 0. 5 MW - 200 MW 5 MW - 350 MW 30% - 35% 27% - 42% 25% -35% 40% - 60% 75% - 85% Metano o combustibile gassoso, diesel o doppio combustibile (Diesel e gas) Qualsiasi combustibile, calore di recupero Come turbina a gas + turbina a vapore Permette il recupero del calore disperso dai processi industriali per produrre elettricità Elevato rendimento elettrico Recupero termico ad alta Alta flessibilità, temperatura, taglia piccola, possibilità di arresto alta potenza in volumi giornaliero ridotti Prof. Ferruccio Pittaluga Savona 25/06/2008 Il valore più alto si ottiene in caso di Il valore più alto si ottiene in caso sola produzione di elettricità di sola produzione di elettricità Università degli Studi di Genova Facoltà di Ingegneria DIMSET-DIPTEM Report finale. Pag. 51

Elementi di cogenerazione (3/4): MCI Prof. Ferruccio Pittaluga Savona 25/06/2008 Università degli Studi di Genova Facoltà di Ingegneria DIMSET-DIPTEM Report finale. Pag. 52

Elementi di cogenerazione (4/4): cascami termici recuperabili Il rendimento termico è funzione della temperatura cui è disponibile il calore. Il calore di scarto per piccoli MCI è recuperabile da diverse fonti, ognuna caratterizzata da un proprio range di temperatura. Sono disponibili applicazioni basate su diverse tecnologie cogenerative, con diversi gradini di temperatura di recupero in funzione delle fonte da cui si opera la captazione termica: • Gas di scarico: ca. 300°C • Olio lubrificante: 75 ÷ 85°C; • Acqua di raffreddamento: 80 ÷ 95°C; Prof. Ferruccio Pittaluga Savona 25/06/2008 (35% del totale) (65% del totale) Università degli Studi di Genova Facoltà di Ingegneria DIMSET-DIPTEM Report finale. Pag. 53

Cogenerazione: interventi sull’impianto Scambiatore acqua – acqua Unità di cogenerazione Prof. Ferruccio Pittaluga Savona 25/06/2008 Università degli Studi di Genova Facoltà di Ingegneria DIMSET-DIPTEM Report finale. Pag. 54

Cogenerazione: dimensionamento dell’impianto di captazione Caratteristiche scambiatore Superficie di scambio 0. 123 m 2 Fattore di sovradimensionamento 48. 6 % Coefficiente globale scambio 8. 45 k. W/m 2 Perdite di carico corrente primaria 0. 13 mbar Perdite di carico corrente secondaria 0. 085 mbar Dati dimensionalli scambiatore H 310 mm In. H 230 mm L 200 mm In. L 69 mm P 160 mm Prof. Ferruccio Pittaluga Savona 25/06/2008 Università degli Studi di Genova Facoltà di Ingegneria DIMSET-DIPTEM Report finale. Pag. 55

Cogenerazione: scambiatore acqua-acqua Corrente primaria Fluido acqua Portata massica 0. 25 kg/s Dato di targa motore Temperatura ingresso 80°C Valore misurato in configurazione originale Temperatura uscita 65°C Valore misurato in configurazione originale Potenza termico ceduta 15 k. W Da dati precedenti per calcolo Perdite di carico ammissibili 0. 4 mbar Imposto in fase di progettazione Corrente secondaria Fluido acqua Portata massica 0. 18 kg/s Da dimensionamento progettuale Temperatura ingresso 15°C Da dimensionamento progettuale Temperatura uscita 35°C Da dimensionamento progettuale Potenza termico ceduta 15 k. W Da dati precedenti per calcolo Perdite di carico ammissibili 0. 4 mbar Imposto in fase di progettazione Prof. Ferruccio Pittaluga Savona 25/06/2008 Università degli Studi di Genova Facoltà di Ingegneria DIMSET-DIPTEM Report finale. Pag. 56

Cogenerazione: schema d’impianto Serbatoio inerziale e schema impianto captazione termica Prof. Ferruccio Pittaluga Savona 25/06/2008 Università degli Studi di Genova Facoltà di Ingegneria DIMSET-DIPTEM Report finale. Pag. 57

Cogenerazione: bilanci finali Condizione 100% cippato Condizione 70% cippato – 30% coke Biomassa in: 13 kg/h Miscela in: 8, 8 kg/h Biogas out: 26, 6 kg/h Biogas out: 30, 2 kg/h Scorie out: 1, 1 kg/h Scorie out: 1, 3 kg/h P. c. i. biogas: 4024 k. J/mc P. c. i. biogas: 4389 k. J/mc Rendim. gassificazione: 45. 2% Rendim. gassificazione: 65, 7% Rendim. elettrico: 28% P elettrica out: 7, 33 k. W P elettrica out: 9, 7 k. W P elettrica ausiliari: 0, 33 k. W P elettrica netta out: 7 k. W P elettrica netta out: 9, 4 k. W P termica out (recupero Q sensibile al radiatore): 18 k. W Prof. Ferruccio Pittaluga Savona 25/06/2008 Università degli Studi di Genova Facoltà di Ingegneria DIMSET-DIPTEM Report finale. Pag. 58

Isolamento acustico Sorgenti di rumore nell’impianto: • Motore cogenerativo (sorgente acustiche principale) • Pompe di circolazione (sorgenti acustiche trascurabili) Livello di attenuazione acustica necessario: • Il livello di attenuazione acustica richiesto è esclusivamente funzione della zona in cui l’impianto venga installato Realizzazione struttura insonorizzante: • Telaio pannellabile secondo esigenze di insonorizzazione. • Telaio modulare completamente smontabile per garantire piena accessibilità all’unità di cogenerazione • Pannelli autoportanti da 5 cm, per applicazione in zone IV, V, VI Prof. Ferruccio Pittaluga Savona 25/06/2008 Università degli Studi di Genova Facoltà di Ingegneria DIMSET-DIPTEM Report finale. Pag. 59

Isolamento acustico Cofano fonoassorbente Curva di attenuazione pannelli fonoassorbenti Prof. Ferruccio Pittaluga Savona 25/06/2008 Università degli Studi di Genova Facoltà di Ingegneria DIMSET-DIPTEM Report finale. Pag. 60

Analisi di convenienza economica Non si sono presi in considerazione costi di manodopera o di affitto/ammortamento del locale nel quale collocare il gassificatore Il numero di ore di funzionamento utile all’anno viene considerato pari a 7000 ore mentre il tasso di sconto (WACC) introdotto nei modelli di valutazione dell’investimento è pari al 5% su base annua. Prof. Ferruccio Pittaluga Savona 25/06/2008 Università degli Studi di Genova Facoltà di Ingegneria DIMSET-DIPTEM Report finale. Pag. 61

Indicatori utilizzati nell’analisi Pay Back Period o Periodo di reintegro dell’investimento (PBP): rappresenta il punto di equilibrio temporale dei cash in e cash out scontati secondo il tasso di sconto applicato. Fornisce quindi l’indicazione di dopo quanto tempo l’investimento si è ripagato attraverso i flussi di cassa da esso generati. Net Present Value o valore netto attuale a tasso di sconto assegnato (NPV): è la somma algebrica dei flussi di cassa (cash in e cash out) nei diversi anni dell’orizzonte di valutazione attualizzati secondo un tasso d’interesse Rappresenta la ricchezza incrementale generata dall’investimento riportata al momento della valutazione Internal Rate of Return o Tasso Interno di reddito (IRR): è quel particolare tasso di sconto capace di azzerare il NPV, pertanto rappresenta il costo massimo della raccolta di capitale che un progetto può sopportare affinché permanga la sua convenienza economica. Rapporto di Redditività Attualizzato (RRA): è il rendimento percentuale espresso dall’investimento sull’arco di vita dell’intero progetto. Consente un agevole metro di confronto con altre opportunità di investimento. Prof. Ferruccio Pittaluga Savona 25/06/2008 Università degli Studi di Genova Facoltà di Ingegneria DIMSET-DIPTEM Report finale. Pag. 62

Scenario con agevolazioni fiscali (CV) Prof. Ferruccio Pittaluga Savona 25/06/2008 Università degli Studi di Genova Facoltà di Ingegneria DIMSET-DIPTEM Report finale. Pag. 63

Scenario senza agevolazioni fiscali Prof. Ferruccio Pittaluga Savona 25/06/2008 Università degli Studi di Genova Facoltà di Ingegneria DIMSET-DIPTEM Report finale. Pag. 64

Conclusioni Gli obiettivi che il “progetto” si era prefisso di verificare erano i seguenti: • taglia di impianto cogenerativo non superiore a 250 k. Wel e quindi a circa 500 k. W di produzione termica; • agevole inserimento territoriale dell’impianto, in termini di ciclo del combustibile e di gestione dei residui; • rendimento di conversione energetica superiore al 65% • costi di installazione non superiori a 2300 euro al k. Wel installato; • limitati livelli emissivi in termini di effluenti gassosi, liquidi e solidi; • costi e difficoltà di gestione contenuti; • impianto modulare e industrializzabile in modo agevole; • adeguato ritorno dell’investimento. Grazie alle ottimizzazioni apportate e alle lunghe sperimentazioni effettuate si può affermare che, per combustibili energeticamente “ricchi” (cippato di legno molto secco ovvero cippato di legno tal quale ma additivato con clean coke), gli obiettivi sopra elencati sono stati ragionevolmente conseguiti. Prof. Ferruccio Pittaluga Savona 25/06/2008 Università degli Studi di Genova Facoltà di Ingegneria DIMSET-DIPTEM Report finale. Pag. 65

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