Dipartimento di ingegneria meccanica e navale
Università degli Studi di Trieste
Produzione di energia da biomasse:
utilizzo di impianti ORC e celle a combustibile
R. Taccani
Dipartimento di ingegneria meccanica e navale
Università di Trieste
26 novembre 2010
Trieste
Obiettivi della cogenerazione con
sistemi “Biomass to Energy”
COGENERAZIONE
+
Biomass to Energy
Produrre con lo stesso impianto
(simultaneamente) potenza
elettrica E e termica Q
Vantaggi GLOBALI:
DIMINUZIONE del consumo di combustibili FOSSILI
Riduzione delle emissioni inquinanti e di CO2
Ulteriore riduzione delle emissioni di CO2
Vantaggi LOCALI:
DIMINUZIONE del costo complessivo delle forniture E e Q
Riduzione del rischio di interruzione della fornitura E
Riduzione del costo di approvvigionamento del combustibile
Riduzione del costo di smaltimento dei residui
Possibili alternative per la cogenerazione
“Biomass to Energy”
Gassificazione della biomassa + TG / MCI;


l’unità di gassificazione non può essere molto piccola, a
causa del processo di pulizia del gas,
la velocità di rotazione della turbina è molto elevata.
Generatore di vapore + ciclo Rankine a vapor d’acqua;


la taglia della turbina a vapore non scende sotto ~1 MW a
causa di problemi nel disegno della palettatura,
il generatore di vapore pressurizzato, con surriscaldatore.
Combustore di biomassa + Motore Stirlig (comb. esterna);


assenza di lubrificazione del cilindro,
si deve realizzare uno scambiatore gas-gas molto compatto,
in contrasto con le caratteristiche tipiche dei prodotti di
combustione della biomassa.
La cogenerazione “Biomass to Energy”
con un gruppo ORC
gas di scarico
evaporatore
turbina
generatore elettrico
rigeneratore
recupero di calore
olio diatermico
condensatore
biomassa
MDM
acqua
U.T.
Forno
Circuito ad olio diatermico
Gruppo ORC
Utenza termica
Oggetto dell’attività di ricerca
Vantaggi dei gruppi ORC cogenerativi
Discreta efficienza (circa 17%) anche utilizzando sorgenti
termiche a bassa temperatura, o di piccola potenza;
La taglia ridotta consente di utilizzare la biomassa nei pressi
del sito di produzione, riducendo i costi di trasporto ed il
relativo impatto ambientale;
I gruppi cogenerativi ORC possono essere facilmente integrati
con altri impianti ad energia rinnovabile;
La velocità di rotazione della turbina può essere ridotta, in
modo da consentire l’accoppiamento diretto con il generatore;
Lunga durata e ridotte esigenze di manutenzione del gruppo;
Semplici modalità di avviamento e di regolazione del carico,
 consentono di soddisfare anche carichi termici variabili.
Vantaggi dei gruppi ORC cogenerativi
 Si situano in un campo operativo NON coperto dai sistemi
cogenerativi tradizionalmente più diffusi.
ORC
Perchè simulare un impianto di
cogenerazione (ORC)?
 Per conoscere in anticipo gli effetti energetici + economici
+ ambientali dell’impianto di cogenerazione, nelle
condizioni operative che si presenteranno in azienda.


Sulla base dell’andamento temporale delle richieste E e Q
E della strategia di gestione ipotizzata, si DETERMINANO:
 La produzione elettrica nelle diverse ore del giorno,
 La quantità di biomassa consumata,
 Le ore di funzionamento del gruppo ORC e delle caldaie,
 La temperatura e la portata dell’acqua calda prodotta dal
gruppo cogenerativo……….
Dipartimento di Energetica
Università degli Studi di Trieste
POLO di PORDENONE
Esempio semplificato
Per prevedere gli effetti energetici + economici della
realizzazione dell’impianto di cogenerazione, è essenziale:
 Conoscere
i dati energetici
• Andamento temporale dei
consumi elettrici,
• Andamento temporale dei
consumi termici (alle diverse T).
• Costo dei combustibili,
 Conoscere
i dati economici
• Costo dell’energia elettrica,
• Prezzo di cessione delle eccedenze
elettriche,
• Costo di smaltimento dei
combustibili residuali.
Dipartimento di Energetica
Università degli Studi di Trieste
POLO di PORDENONE
Scelta del sistema di cogenerazione
PREVISIONE
(Simulazione)
• SCELTA DELLA TAGLIA
600 kWe
• SCELTA DELLA TECNOLOGIA ORC
• SCELTA DEI COMPONENTI
Monoblocco +
(integrazione)
• SCELTA DELLA GESTIONE
A seguire il
carico termico
CONFRONTO
(Ottimizzazione)
Domanda termica
Richiesta termica totale - estate
4500
4500
4000
4000
3500
3500
3000
3000
2500
2500
[kW]
[kW]
Richiesta termica totale - inverno
2000
2000
1500
1500
1000
1000
500
500
0
0
1
3
5
7
9
11
13
orario
15
17
19
21
23
1
3
5
7
9
11
13
15
17
19
21
23
orario
• La domanda termica invernale è molto maggiore di quella estiva;
questo è dovuto all’utilizzo del calore principalmente per il
riscaldamento degli ambienti di lavoro, piuttosto che per esigenze dei
processi tecnologici.
Domanda elettrica
Potenza elettrica richiesta - giorno estivo
1600
1600
1400
1400
1200
1200
1000
1000
[kWe]
[kWe]
Potenza elettrica richiesta - giorno invernale
800
800
600
600
400
400
200
200
0
0
1
3
5
7
9
11
13
orario
15
17
19
21
23
1
3
5
7
9
11
13
15
17
19
21
23
orario
• La domanda elettrica invernale è minore di quella estiva,
contrariamente a quello che accade con la domanda termica;
• La non contemporaneità dei consumi termici ed elettrici deve essere
valutata attentamente, in quanto rischia di compromettere i vantaggi
attesi dalla cogenerazione.
Conclusioni sull’esempio semplificato
• L’impianto con dissipatore brucerebbe circa 320.000 kg/anno di
truciolo (contro una produzione ipotetica di circa 350.000 kg/anno);
• Il risparmio è di circa 150.000 €/anno sulla bolletta elettrica.
• Conoscendo: il costo di acquisizione del gruppo ORC;
i costi per l’adeguamento dell’impianto (e del boiler);
• Valutando eventuali incentivi di legge per l’efficienza energetica o
risparmi sui costi di smaltimento del truciolo;
• È possibile prevedere realisticamente il periodo di ritorno (o altre
figure di merito) dell’investimento considerato.
• NB: grazie alla disponibilità del simulatore, anche incentivi (e
penalità) che dipendono dal consuntivo annuale dell’energia (o delle
emissioni) prodotte possono essere valutati realisticamente.
Produzione di energia da
biogas:
utilizzo di celle a combustibile
Biogas
Il biogas è un combustibile ricavato dalla biodegrazione della sostanza
organica in assenza di ossigeno.
• Composizione tipica:
• Materie prime:
– Liquami zootecnici
– Biomasse ottenute dalle colture
energetiche
– Residui colturali
– Scarti di origine animale ed
agroindustriale
– Fanghi degli impianti di depurazione delle
acque civili
Cosa sono le celle a combustibile?
Come nelle batterie “normali” viene prodotta
elettricità (corrente continua) a basso voltaggio.
Nelle batterie, per fare elettricità è
necessario usare una sostanza contenuta
all’interno della batteria stessa,
nelle celle la sostanza che reagisce (il
combustibile) può arrivare dall’esterno,
(come nel motore dell’automobile). Non
è quindi necessario “ricaricare” o
sostituire il “generatore”
Produzione elettricità
Sistemi convenzionali (per esempio Impianti a vapore o Turbogas)
Energia
Chimica
Calore
Lavoro
Elettricità
(nel combustibile)
Conversione diretta – Celle a combustibile
Energia
Chimica
(nel combustibile)
Elettricità
Vantaggi
Una produzione diretta di energia elettrica
permette di conseguire degli importanti
vantaggi in termini di:
•Efficienza di conversione
•Impatto ambientale
•Portabilità/Affidabilità/Flessibilità
Il principio di funzionamento (Celle PEM)
e-
H2O
H2
O2
H+
H2
O2
H+
H2
Combustibile (H2)
H2O
O2
elettrodi
elettrolita
Ossidante (O2)
Esempi di impianti commerciali
UTC Power PureCell Model 400
Potenza elettrica: 400kW
Combustibili: GN, Biogas
Efficienza elettrica: 42%
FuelCell Energy DFC 1500
Potenza elettrica: 1.4 MW
Combustibili: GN, Biogas
Efficienza elettrica: 47%
Analisi delle prestazioni e delle
emissioni di veicoli alimentati a
combustibili di origine vegetale
Obiettivi
Analizzare le prestazioni e le
emissioni
conseguenti
all’utilizzo di biodiesel su:
-un motore diesel industriale
-nn motore diesel common
rail di piccola cilindrata
Risultati
PARTICOLATO
8.E+07
3.E+07
Bus52 Diesel Fuel
600 rpm
7.E+07
600 rpm
Bus52 B25
2.E+07
5.E+07
[N/cc]
dN/dlogDp [-/cc]
6.E+07
4.E+07
3.E+07
1.E+07
2.E+07
Bus52 Diesel Fuel
1.E+07
Bus52 B25
0.E+00
0.E+00
1
10
100
Dp [nm]
1000
1
10
100
Dp [nm]
1000
Risultati
Test su strada
20
B25
Diesel Fuel
18
16
opacity [%]
14
12
10
8
6
4
2
0
0
100
200
300
400
time [s]
500
600
700
800
Grazie per l’attenzione!
Produzione di energia da biomasse:
utilizzo di impianti ORC e celle a combustibile
R. Taccani
Dipartimento di ingegneria meccanica e navale
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