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CISA - società consortile a responsabilità limitata
- nasce nel 2005 per iniziativa della Provincia di Bologna, della Fondazione Carisbo e dell’ ISSI-ONLUS
(Istituto Sviluppo Sostenibile Italia) per gestire in primo luogo
un progetto di sviluppo locale, basato sul risparmio energetico e
l’uso di fonti energetiche rinnovabili nell’Appennino bolognese.
CISA, in una prospettiva di sviluppo sostenibile, ha il compito di
rafforzare il sistema pubblico provinciale e regionale nel campo
della ricerca e del trasferimento tecnologico, con lo sguardo rivolto specificamente alle aree territoriali più deboli, quelle montane appenniniche.
CISA nasce a seguito della decisione della Commissione Europea
( n. 3962 del 8.10.2004) con cui i fondi Obiettivo 2 dell’EmiliaRomagna destinati alla “Valorizzazione della risorsa montagna”
possono essere utilizzati per il rafforzamento della diffusione
della conoscenza scientifica e tecnologica nelle sue applicazioni
verso il tessuto produttivo e socio-economico.
CISA ha gestito un primo progetto (sigla: BO110) finanziato con fondi europei obiettivo 2 e con fondi della Fondazione CaRisBo i cui risultati vengono raccolti nel dossier ECOIMPIANTI le realizzazioni tecnologiche del CISA.
Nell’ambito di questo progetto è stata realizzata anche la
Fiera Expò ECOAPPENNINO del settembre 2007.
CISA attualmente gestisce un secondo progetto obiettivo 2 (sigla BO134) e le attività dell’Accordo Quadro per
l’introduzione e la sperimentazione di energie rinnovabili nella
montagna bolognese.
L’ECOIMPIANTO
DI CASTEL D’AIANO
Sistema di cogenerazione
a biomassa con processo di
gassificazione e uso del motore a
combustione esterna di Stirling
2008
PRESENTAZIONE
Q
uesto opuscolo illustra l’impianto di cogenerazione (calore + elettricità) alimentato a
cippato di legno, realizzato dal Centro Cisa nel comune di Castel D’Aiano. Contemporaneamente sviluppa considerazioni tecniche ed economiche che motivano la diffusione di
queste tecnologie all’interno dell’ Appennino bolognese oggi coinvolto nel progetto di un
distretto delle energie da fonti rinnovabili.
Il progetto, che si è potuto realizzare grazie ai fondi “obiettivo 2” erogati dalla Provincia di
Bologna e al cofinanziamento del Consorzio Cosea che ha curato anche la parte di progettazione e di realizzazione, utilizza – con una configurazione unica in Europa – un sistema di
gassificazione del cippato di legno abbinato ad un motore a combustione esterna di Stirling.
Si tratta di una configurazione tecnologica messa a punto e sperimentata dalla Stirling
Danmark ApS, una società danese nata dalle attività ormai pluriennali dell’Università di
Kopenhagen.
Realizzare un distretto energia sostenibile nell’Appennino Bolognese comporta affrontare
i nodi della filiera legno-energia e individuare una soluzione tecnologica che rispondente
a quattro principali requisiti:
1) Impianti di piccola dimensione capaci di rispondere alle esigenze di piccole comunità, spesso isolate, talvolta distanti dalle reti del metano che possono avere però
come loro orizzonte la generazione distribuita e l’autonomia energetica;
2) Uso di materia prima locale e quindi trattandosi per lo più di zone di crinale creazione di una filiera legno-energia basata sul recupero dei boschi abbandonati e su
progetti di gestione sostenibile degli stessi. Una filiera funzionale non solo alla cura
dei boschi, ma anche ad attività economico/forestali di crinale frenando così i processi di spopolamento e abbandono della montagna.
3) Sistema tecnologico ad alta efficienza nel nostro caso garantito dal sistema cogenerativo. La piccola dimensione degli impianti permette la produzione di energia
elettrica utilizzando al contempo tutto il calore prodotto. Si realizzano così rendimenti energetici molto alti che qualificano il progetto di distretto.
4) Sistema a basso impatto ambientale. Il limite della gassificazione combinata con
motori a combustione interna (diesel modificati) è sempre stata la produzione di
forti residui inquinanti. Il motore di Stirling permette di bruciare il syngas in una
camera di combustione ad alta temperatura eliminando così il problema e creando
un sistema altamente ecologico.
L’impianto che è stato realizzato ci sembra risponda a questi requisiti e permetta di delineare un modello che pensiamo si diffonderà nei prossimi anni nei territori della collina e
montagna bolognese e non solo.
Stefano Semenzato
Direttore Progetto CISA
1
LO STAFF DI PROGETTISTI DELL’IMPIANTO DI COGENERAZIONE
La progettazione e la direzione lavori sono state eseguite dal Servizio Energia di COSEA
attraverso uno staff di ingegneri:
Coordinamento del progetto
Ing. Sergio Palmieri
Progettazione e direzione lavori di tutta la parte impiantistica
Ing Filippo Marini
Progettazione generale e realizzazione delle opere civili.
Ing. Elena Burzi, Ing. Maurizio Melani e Ing.Federico Vannini
Progettazione, sperimentazione e fornitura dell’impianto
Stirling Danmark – Sustainable Power Production –
Carlos Lucas, Dariusz Szewczyk, Wlodzimierz Blasiak, Ruchira Abeyweera
Questa pubblicazione è stata curata da:
Arch. Riccardo Giacobazzi
Impaginazione e stampa a cura di:
AGV Studio - Pioppe di Salvaro (Bo) - www.agvstudio.com
© CISA – Centro Innovazione per la Sostenibilità Ambientale
Piazza Libertà, 13 - 40046 Porretta Terme (BO)
Tel. e Fax 0534 521104
[email protected]
Progetto Bo110 Obiettivo2 - Provincia di Bologna
Settembre 2008
2
L’IMPIANTO DI COGENERAZIONE DI CASTEL D’AIANO
PARTE PRIMA
L’IMPIANTO DI COGENERAZIONE
DI CASTEL D’AIANO
Applicazione della gassificazione abbinata al motore di Stirling
INTRODUZIONE
Un sistema di cogenerazione basato sulla gassificazione delle biomasse ed un motore a
combustione esterna di Stirling per la generazione di calore abbinata con l’energia elettrica, è
stato realizzato dal Centro per L’innovazione e Sostenibilità Ambientale in collaborazione con
il Consorzio Servizi Ambientali, in località Castel D’Aiano.
In Europa la produzione combinata di calore ed energia elettrica di piccola taglia, attraverso
l’utilizzo di un combustibile rinnovabile come il cippato di legno, è ancora un settore in cui non
sono presenti molte esperienze. L’impianto realizzato a Castel D’Aiano è senza alcun dubbio un
impianto pilota e fortemente innovativo, primo esempio in tutta Europa.
Lo sviluppo di un sistema di cogenerazione di piccola taglia offre numerosi vantaggi di
carattere sia ambientale che di sostenibilità; istallare infatti un impianto centralizzato che
possa contribuire a soddisfare il fabbisogno elettrico e termico di piccoli insediamenti abitativi,
complessi sportivi, scolastici o ricreativi anche in zona montana, permette una sicura diffusione
della tecnologia con conseguenti benefici sull’occupazione e la valorizzazione delle risorse
locali dell’Appennino Tosco-Emiliano, sulla produzione di energia rinnovabile distribuita nel
territorio e sull’avvio di filiere agricole e forestali.
3
PARTE PRIMA
1.1. LE STRUTTURE SERVITE DALL’IMPIANTO
Gli edifici più importanti che verranno serviti dal nuovo impianto fanno parte del complesso
delle scuole elementari e medie, che è piuttosto ampio e, prima della realizzazione del nuovo
impianto, era riscaldato tramite la combustione diretta del metano in caldaie di vecchia
generazione e di scarsa efficienza; di conseguenza l’intervento realizzato oltre ad introdurre un
sistema ad energia rinnovabile determina anche un notevole risparmio energetico complessivo
ed un adeguamento dell’impianto ad una più moderna concezione del calore e, più in generale,
dell’energia.
Il complesso scolastico comprende spazi ad uso sportivo, didattico, ricreativo e per il pranzo.
Oltre al complesso scolastico, poco più distante c’è la piscina scoperta comunale. Nel periodo
estivo il clima risulta mite ma molti utenti della piscina si lamentano per la temperatura troppo
bassa dell’acqua, per questo motivo l’energia termica prodotta nel periodo estivo, invece
che essere dissipata va ad innalzare la temperatura della piscina di qualche grado centigrado
portando notevoli benefici alla struttura. Infine l’impianto di cogenerazione servirà anche
gli spogliatoi del campo sportivo adiacenti alla centrale. Per servire le strutture descritte in
precedenza è stata realizzata una piccola rete di teleriscaldamento, questa è stata realizzata
in più fasi successive, in principio si sono allacciate le strutture maggiori come le scuole e la
palestra ed in seguito verrà realizzato il ramo di rete che potrà allacciare gli spogliatoi e la
piscina. Di seguito si riporta uno schema riassuntivo dei dati di consumo riferiti ai due circuiti,
il consumo annuo di metano (e di conseguenza il calore prodotto) è stato stimato dai dati
storici.
4
L’IMPIANTO DI COGENERAZIONE DI CASTEL D’AIANO
La struttura scolastica
La piscina comunale
La palestra
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PARTE PRIMA
1.2. LA STRUTTURA DELL’IMPIANTO
Il sistema di cogenerazione realizzato si schematizza in due fasi distinte ed al contempo unite
da una consequenzialità di flussi di massa nei diversi stadi, che ne caratterizzano il processo. Le
due fasi sono concatenate l’una all’altra, dove ciascuna fase utilizza i prodotti della precedente
come in una catena chiusa di reazioni.
L’impianto è quindi caratterizzato dalla necessità di una continuità di funzionamento e da
una serie di parametri che si devono mantenere immutati in ogni condizione; in particolare è
necessario svincolare la produzione di energia elettrica, che essendo ceduta direttamente in
rete non risentirebbe di particolari modifiche nella propria intensità, dalla produzione di calore,
che invece risente delle variazioni tipiche di una piccola rete di teleriscaldamento, cercando al
contempo di dissipare la minor quantità possibile di calore.
La maggior parte dei componenti che costituiscono il legno possono essere resi gassosi, questo
processo viene chiamato gassificazione perchè appunto trasforma il combustibile solido in
gas combustibile a basso potere calorico. Il meccanismo si basa sulla combustione parziale
del legno, ottenuta facendo filtrare una miscela calda di residui di combustione, che servono
come veicolo inerte, ed ossigeno in bassa percentuale, che invece serve come comburente
per alimentare la combustione parziale, che viene così controllata variando la percentuale di
ossigeno nella miscela. Il gas ottenuto in questo modo viene comunemente chiamato syngas o
gas di gasogeno.
Nell’impianto di Castel D’Aiano è stato utilizzato infatti un gassificatori up-draft, in modo da
eliminare i complessi sistemi di depurazione del syngas, potendo così utilizzare cippato con
valori di umidità abbastanza elevati.
Il gas prodotto nella prima fase viene miscelato con aria preriscaldata ad alta temperatura e
bruciato in una camera di combustione, il calore prodotto viene ceduto alle teste calde del
motore Stirling, che così compie il proprio ciclo termodinamico producendo energia meccanica
che viene trasferita ad un albero e acqua calda per le rete di teleriscaldamento. L’energia
meccanica è poi convertita in elettricità attraverso un generatore di corrente a magneti
permanenti. I gas combusti verranno in parte deviati al gassificatore che li utilizzerà per il
proprio ciclo termodinamico chiudendo il ciclo, ed in parte deviati in un economizzatore che
li raffredderà prima di espellerli dal camino, fornendo un’ulteriore quota di calore utile al
teleriscaldamento.
6
L’IMPIANTO DI COGENERAZIONE DI CASTEL D’AIANO
Durante la combustione si raggiungono temperature estremamente elevate, di circa 1.250 °C alla
fiamma e circa in 800 °C sullo scambiatore del motore Stirling, temperature così alte permettono
la completa ossidazione dei residui di gassificazione, garantendo fumi estremamente puliti,
con bassissimo contenuto di polveri e con concentrazioni di residui incombusti pressoché
trascurabili.
La centrale di cogenerazione
7
PARTE PRIMA
1.2.A Schema di funzionamento
Planimetria interna della centrale
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L’IMPIANTO DI COGENERAZIONE DI CASTEL D’AIANO
1.2.B. Il gassificatore di Castel d’Aiano:
1
in questo elemento, costituito da una
camicia di acciaio esterna e rivestita internamente di materiale isolante, viene immesso
dall’alto il cippato di legno tramite una coclea. Il gassificatore viene riscaldato tramite
il recupero del calore della camera di combustione (2) fino ad una temperatura di circa
700°C e, con l’immissione di aria con una percentuale del 4% di ossigeno, avviene il
processo di gassificazione delle biomasse. Il syngas prodotto viene estratto dall’alto e
portato fino alla camera di combustione.
LE FASI DI INSTALLAZIONE DEL GASSIFICATORE
9
PARTE PRIMA
1.2.C. Camera di combustione:
2
10
questa è costituita da un cilindro in acciaio altamente
tecnologico. Il cilindro è poi rivestito con un elevato spessore di materiale refrattario
ed isolante. Come si vede dalle immagini riportare all’interno dell’elemento è presente
una camera di combustione che è a diretto contatto con la testata del motore di
Stirling. All’intero della camera di combustione vengono fatti confluire il syngas e
l’aria, in percentuali controllate per ottimizzare la combustione. L’aria utilizzata viene
preriscaldata facendola passare all’interno di un recuperatore di calore posizionato
all’interno del camino dei fumi (4). All’interno della camera di combustione si
raggiungono temperatura comprese tra i 1250°C e gli 800°C.
Fasi di installazione della camera di combustione
Vista laterale della camera di combustione, notare i tubi
flessibili per il recupero del calore
Vista frontale dove viene installato la testata del motore
di Stirling. Da notare il materiale isolante e quello
refrattario
Vista posteriore dove viene inserito il bruciatore, da
notare i fasci tuberi ed tubi flessibili che consentono di
ottimizzare l’efficienza tramite il recupero di calore
L’IMPIANTO DI COGENERAZIONE DI CASTEL D’AIANO
1.2.D. Motore di Stirling:
3
come visto in precedenza il motore di Stirling funziona a
combustione esterna. In questo caso il motore installato, con potenza di 35kW
elettrici, ha quattro pistoni, in questo modo ogni fase è occupa ¼ del giro completo
dell’albero motore (sfasamento di 90°), quindi mettendo quattro cilindri in serie,
ognuno potrà fungere da pistone caldo nella sua parte superiore e da pistone freddo
in quella inferiore (doppio effetto), e mentre la parte alta del cilindro potrà fungere
da zona di espansione, la parte bassa sarà zona di compressione. In questo caso il
condotto di collegamento è totalmente immerso nella camera di combustione e funge
da scambiatore di calore.
Fasi di installazione del motore di Stirling, la testata
del motore entra in contatto con il calore sviluppato
all’interno della camera di combustione e compie il suo
ciclo termodinamico
Fotografia della parte posteriore della camera di
combustione (primo piano) con inserita la testa dal
motore (in secondo piano). Da notare, la testata del
motore, il materiale refrattario, i fasci tuberi e la flangia
sulla quale è installato il bruciatore
La testata de motore a combustione esterna di
Stirling, da notare i diversi condotti di collegamento
che costtuiscono la testata del motore, il materiale
refrattario e la flangia di fissaggio.
11
PARTE PRIMA
1.2.E. I sistemi elettronici di controllo e gestione: Tutto l’impianto è completamente
4
automatizzato, ogni valvola, ogni pompa ed ogni motore viene controllato dal PLC
centrale che gestisce automaticamente tutti i cicli termodinamici senza la supervisione di
operatori. Il software è programmato per ricercare le condizioni ideali per ottimizzazione
della produzione elettrica in funzione delle caratteristiche del legno, sulla base dei
valori di temperatura, pressione e portata rilevata da sofisticati sensori in vari punti
dell’impianto. Particolare attenzione viene data alla camera di combustione, che deve
raggiungere temperature piuttosto elevate ed avere il maggior rendimento possibile
e di conseguenza il minor quantitativo possibile di residui incombusti, di conseguenza
i fumi in uscita risultano assolutamente puliti e privi di valori inquinanti, rendendoli
paragonabili alle più moderne caldaie a metano. Il controllo della camera di combustione
è quindi importante perchè questa è uno dei componenti essenziali e più importanti di
tutto l’impianto, qui vengono misurati in continuo i valori percentuali di ossigeno nei
fumi in uscita ed in quelli di ricircolo, le temperature nella zona più calda di impatto e
scambio termico con il motore Stirling, la depressione nelle varie zone, la portata e la
temperatura del gas ottenuto dalla gassificazione e la portata e la temperatura dell’aria
di combustione in uscita dal preriscaldatore a fascio tubuiero.
Particolare
dei quadri elettrici
di controllo e gestione
dell’impianto
Particolare di un rilevatore dati tramite la sonda inserita all’interno delle tubature
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L’IMPIANTO DI COGENERAZIONE DI CASTEL D’AIANO
1.2.F. Accumulatori termici:
5
come tutti gli impianti a biomassa, anche in questo caso
sono necessari grandi volani termici costituiti da accumulatori per l’acqua. In questo
modo l’acqua calda prodotta dall’impianto viene immagazzinata in grandi quantità
e può essere utilizzata nei momenti di bisogno per il riscaldamento delle strutture
collegate tramite la rete di teleriscaldamento. In questo caso si è scelta una soluzione
con due accumulatori da 3.000 litri comunicanti tra loro in modo da ottimizzare la
stratificazione all’interno degli accumulatori.
13
PARTE PRIMA
1.2.G. Deposito del cippato: Il vano per lo stoccaggio del combustibile è stato realizzato
6
adiacente la centrale termica, separata da questa da una parete in cemento armato
e laterizio di spessore e caratteristiche tali per cui può essere considerata REI 120, la
superficie utile allo stoccaggio in pianta risulta paria a 25 m2 con un’altezza utile di 4
m, di conseguenza il volume teorico massimodi cippato immagazzinabile nel deposito
è di 100 mc, segue che il peso massimo stoccato sarà di 30,7 tonnellate e l’energia
potenziale massima immagazzinabile è di 81.430 kWh.
La rampa di in fase di realizzazione per permettere ai mezzi di
scaricare il cippato all’interno del deposito
L’apertura nella muratura perimetrale dell’edifico in corrispondenza
del deposito del cippato
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L’IMPIANTO DI COGENERAZIONE DI CASTEL D’AIANO
1.2.H. Coclea di carico: il cippato di legno passa automaticamente dal vano di stoccaggio
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al gassificatore tramite un sistema di coclee alimentato da un motore elettrico. Le
coclee non sono altro che viti senza fine elicoidali in acciaio che ruotano attorno
ad un asse longitudinale inserito all’interno di un tubo in acciaio, queste sono in
grado di trasportare automaticamente il cippato di legno da un vano di stoccaggio
al gassificatore o, nel caso in cui si utilizzi la combustione diretta del cippato alle
caldaie.
Elemento rotante all’interno del deposito del
cippato che consente il caricamento della coclea
Dettaglio della coclea di carico
Motore elettrico che consente il movimento
rotatorio della coclea di carico
Dettaglio della coclea di carico
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PARTE PRIMA
Di seguito riportiamo un modello tridimensionale dell’interno della centrale con in principali
elementi impiantistici descritti in precedenza.
Economizzatore
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Testa stirling vista da camera combustione
L’IMPIANTO DI COGENERAZIONE DI CASTEL D’AIANO
1.3. DIMENSIONAMENTO DELL’IMPIANTO E DATI TECNICI PRINCIPALI
L’impianto è stato realizzato in una zona isolata e relativamente distante dalle scuole, all’interno
dell’area verde sul retro del complesso scolastico.
La centrale di cogenerazione è stata realizzata in un ambiente alberato senza alterare le
caratteristiche ambientali e paesaggistiche, dimostrando in questo modo la possibilità di
inserire tali sistemi anche in zone destinate a verde con un minimo impatto ambientale ed in
assoluta sicurezza.
Inoltre in questo caso è stato realizzato un accesso alla centrale totalmente indipendente, in
modo da non influire sulle attività didattiche e ricreative delle scuole e permettere le operazioni
di scarico del cippato attraverso una pista a questo specificatamente dedicata.
Ovviamente sia la struttura edile, sia i macchinari previsti garantiscono i più recenti ed elevati
standard di sicurezza contro il rischio di incendio e di infortunio.
Il dimensionamento dell’impianto è stato eseguito in modo tale che la maggior parte del calore
prodotto venga utilizzato per la climatizzazione degli ambienti, minimizzando le dispersioni di
calore nel periodo invernale.
Dai calcoli eseguiti a partire dai valori di consumo stagionale di metano è emersa la necessità di
un sistema che fornisca circa 140 kW termici utili, in funzione di questo valore si è poi calcolato
il volume di accumulo necessario per garantire il fabbisogno energetico degli edifici riscaldati.
Nel grafico seguente è rappresentata la richiesta termica oraria con la regolazione dei circuiti
in base al vecchio impianto di riscaldamento a gas, in fase di esercizio con la nuova tecnologia
proposta questa regolazione dovrà essere programmata diversamente per venire incontro
alle esigenze del sistema di cogenerazione; si deve comunque tenere presente che il vecchio
sistema di generazione del calore non verrà smantellato, ma potrà comunque essere utilizzato
per coprire un particolare picco di richiesta termica a causa di una stagione eccezionalmente
fredda o per dare continuità alle utenze nelle fasi di manutenzione ordinaria o straordinaria.
La taglia ottimale prevista in fase preliminare è di 200 kW termici, con due serbatoi di accumulo
di 3.000 litri ciascuno, che sono in grado di immagazzinare calore sotto forma di acqua calda
alla temperatura di 75 °C ed erogarla per coprire il picco di richiesta del mattino.
Il sistema così previsto è sufficiente a garantire il calore richiesto; considerando anche che è
necessario cedere calore a bassa temperatura alle scuole durante la notte, facendo assumere
all’edificio la funzione di volano termico per non richiedere troppa energia al mattino. Per
fare questo la pompa della rete di teleriscaldamento deve lavorare un numero di ore annue
piuttosto elevato, al fine di diminuire i consumi energetici si è quindi previsto l’utilizzo di
una pompa a controllo elettronico e caratteristiche delle tubazioni interrate tali per cui siano
minime le perdite di carico. In queste condizioni di funzionamento la potenza elettrica erogata
è di 35 kW al netto degli autoconsumi e viene ceduta direttamente alla rete elettrica in bassa
17
PARTE PRIMA
tensione. L’impianto funziona in continuo senza necessità di supervisione e controllo in loco
da parte di personale specializzato, ma necessiterà di una manutenzione programmata circa
ogni 4.000 ore di lavoro. Le ceneri sono prelevate automaticamente da una coclea e depositate
in un apposito contenitore, in questo modo la presenza di personale potrà essere limitata ad
una sola ora la settimana per un controllo generale dei dispositivi di sicurezza e per svuotare il
contenitore delle ceneri.
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L’IMPIANTO DI COGENERAZIONE DI CASTEL D’AIANO
1.3.A. Il syngas prodotto
Con il termine syngas si indica il gas ottenuto dalla gassificazione con gasogeni up-draft a
partire da legno cippato. Questo ha un basso potere calorifico ed è principalmente costituito da
monossido di carbonio e azoto, di seguito si riportano i componenti principali che determinano
il potenziale energetico di combustione ed i valori percentuali attesi in fase di funzionamento
a regime dell’impianto.
Le fasi di realizzazione dell’impianto
Trasporto del gassificatore all’interno della centrale
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PARTE PRIMA
1.3.B. Il fabbisogno di cippato
La qualità del materiale che è utilizzato per il funzionamento dell’impianto è garantita dalle
aziende forestali presenti nei territori limitrofi e dalla supervisione dei tecnici del Comune di Castel
d’Aiano, promotore della nascita della filiera del legno che viene utilizzato nell’impianto.
Da un’analisi delle disponibilità del territorio si stima che le essenze fornite all’impianto
saranno costituite principalmente dal castagno, dall’abete, dal faggio ed in misura minore
dalla roverella, di conseguenza si stima un potere calorifico inferiore del legno che va da 2,5
kWh/kg a 3,4 kWh/kg.
L’umidità del legno può variare, a seconda della stagione e della fornitura, da un minimo
del 30% ad un massimo del 45%, valori inferiori di umidità sono scarsamente probabili, per
essiccare infatti il legno al di sotto della soglia del 30% ci sarebbe bisogno di una stagionatura
artificiale in forno, procedimento complesso ed antieconomico.
Il consumo di legno viene stimato in circa 75 kg/ora, questo valore si può ritenere valido per
un’umidità media del 35% e per legno in cui la presenza di ramaglie e corteccia non sia troppo
elevata. Se supponiamo invece di fornire all’impianto una qualità del combustibile solido inferiore
e cioè con una certa presenza di cortecce o ramaglie e senza stagionatura, a cui corrisponde
un’umidità del 50-60%, il consumo orario può salire fino a 95 kg/ora. In fase di progettazione
è stata considerata una situazione intermedia, in cui il legno a disposizione potrà essere di
qualità ed umidità variabile e fissiamo un consumo orario di 75 kg/ora. Il fabbisogno annuo
è funzione del numero di ore in cui l’impianto rimane in funzione, inizialmente supponiamo
6.000 ore/anno, in questo modo il fabbisogno annuo di cippato previsto è di 450 tonnellate
all’anno.
Le fasi di realizzazione dell’impianto
Trasporto della camera di combustione all’interno della centrale
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L’IMPIANTO DI COGENERAZIONE DI CASTEL D’AIANO
1.3.C. Produzione di energetica elettrica e termica
In funzione delle ipotesi fatte il quantitativo di energia elettrica ceduta in rete viene stimato
in 203 MWh/anno, mentre il calore ceduto agli edifici in 480 MWh/anno, sotto forma di acqua
calda alla temperatura minima di 65 °C.
L’energia termica prodotta dall’impianto sotto forma di acqua calda è a servizio delle strutture
pubbliche che sorgono nelle vicinanze, l’energia termica viene direttamente ceduta alle utenze
o immagazzinate all’interno di due grandi accumulatori termici di 3.000 litri ciascuno.
Il calore prodotto nell’impianto attraverso il raffreddamento del motore Stirling, ed il recupero
termico dai fumi verrà direzionato ai vari edifici tramite il ricircolo di acqua calda in una coppia
di tubazioni interrate per teleriscaldamento, una tubazione di mandata ed una di ritorno,
alla temperatura massima di 75 °C, in questo modo ogni edificio potrà rifornirsi di calore
attraverso uno scambiatore di calore a piastre, che preleva il calore dalle tubazioni interrate
facendo semplicemente circolare nello scambiatore l’acqua calda della veccia centrale termica,
di conseguenza l’acqua dell’impianto di riscaldamento dei vari edifici rimane sempre separata
da quella dell’impianto di cogenerazione. In più in questo modo le vecchie caldaie al servizio
degli edifici potranno essere rimesse in funzione anche in modo automatico, durante i periodi
di fermo dell’impianto anche accidentale o per le manutenzioni programmate. Le tubazioni
che sono state sono in PEX, un materiale plastico flessibile fornito in rotoli, con un adeguato
isolamento termico ed una guaina protettiva, in questo modo si evitano numerose giunzioni o
saldature garantendo un perfetto funzionamento nel tempo.
La realizzazione della rete di teleriscaldamento
21
PARTE PRIMA
Per quanto riguarda la produzione di energia elettrica si deve considerare che si prevede un
funzionamento continuo dell’impianto, come si osserva infatti dalla tabella che riassume i valori
termici annui e nel periodo più freddo, il dimensionamento risulta perfettamente compatibile
con le utenze termiche allacciate dalla rete di teleriscaldamento, l’impianto infatti cederà tutto
il calore prodotto per un periodo relativamente lungo e di conseguenza non dovrà modularsi
riducendo la propria potenza a regime per una diminuzione di richiesta termica, ma disperdendo
un po’ di potenza all’inizio ed alla fine della stagione di riscaldamento.
Riassumendo, quindi la producibilità elettrica annua stimata viene fissata in 210 MWh/anno.
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L’IMPIANTO DI COGENERAZIONE DI CASTEL D’AIANO
Impianto di cessione in bassa tensione
La corrente elettrica prodotta verrà distribuita attraverso un sistema elettrico di tipo trifase,
alla tensione di 400 V.
Il funzionamento previsto è in parallelo alla rete di bassa tensione, con un carico privilegiato,
rappresentato dalla scuola e dalla palestra.
La linea elettrica di collegamento fra il generatore di corrente ed il punto di consegna ENEL,
così come le linee elettriche di collegamento dei carichi privilegiati costituiti dalla scuola e dalla
palestra, verranno realizzate secondo le Leggi e le Norme di riferimento e saranno fornite di
tutti i dispositivi di protezione e sezionamento necessari al corretto funzionamento, nel pieno
rispetto delle norme di sicurezza previste per gli impianti elettrici di questa tipologia.
Impianto di alimentazione in bassa tensione
L’alimentazione elettrica avverrà tramite allaccio alla rete ENEL in bassa tensione,si costituirà
un impianto a servizio esclusivo della centrale, la distribuzione in bassa tensione, sarà a 400 V
50 Hz trifase, con neutro separato sistema TN-S.
Dal quadro generale dipartiranno tutte le linee di alimentazione agli organi specifici ed ai
sottoquadri.
Le fasi di realizzazione dell’impianto
Trasporto della coclea di carico all’interno della centrale
23
PARTE PRIMA
1.3.D Parametri ambientali
Uno degli obiettivi principali di questa realizzazione è quello di dimostrare un sensibile
miglioramento in termini ambientali ed in particolare sul bilancio di emissioni di gas serra, in
virtù dei progressi dovuti all’utilizzo di una fonte di energia locale e rinnovabile.
Come accennato nella descrizione impiantistica generale l’impianto, per come è stato
progettato e per via dei processi che lo coinvolgono, non potrà avere ripercussioni sulla qualità
dell’aria; attualmente per la climatizzazione degli edifici viene bruciato gas metano; con la
nuova realizzazione si brucerà un gas piuttosto simile, ma ottenuto attraverso la gassificazione
del legno in un impianto che produrrà anche energia elettrica, contribuendo a diminuire la
dipendenza da combustibili fossili nel territorio montano.
Riassumiamo di seguito i parametri ambientali principali.
Risparmio di combustibili fossili
91,3 TEP/ANNO
Risparmio di CO2 emessa in atmosfera
200 t/anno
Cippato consumato in un anno
435 t/anno
Produzione di ceneri
8 m3/anno
Le fasi di realizzazione dell’impianto
Installazione del motore a combustione esterna di Stirling
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L’IMPIANTO DI COGENERAZIONE DI CASTEL D’AIANO
Lo smaltimento delle ceneri
Attualmente la normativa italiana classifica le ceneri, derivanti dalla combustione di materiale
legnoso non trattato, rifiuto non pericoloso e vanno quindi conferite in discarica. Le proprietà
chimiche delle ceneri fanno si che queste potrebbero trovare utilizzo come fertilizzante del
terreno, proprietà che vengono sfruttate ad esempio in Svizzera ed in Austria.
La cenere è il residuo inorganico del processo di combustione e contiene elementi nutrienti
come calcio, potassio, fosforo, magnesio e sodio, il suo eventuale spargimento sul suolo può
essere valutato positivamente come concime o fattore di correzione delle proprietà del terreno;
la funzione di concime è intesa come reinserimento nel terreno di quantità sensibili di elementi
nutritivi precedentemente asportati dalla vegetazione.
Il fattore correttivo riguarda i suoli acidi, infatti la cenere contiene metalli alcalino – terrosi
(Calcio e Magnesio) e, in maniera minore, alcalini (Potassio e Sodio) in grado di innalzare il pH
del suolo.
Attualmente, in Italia, lo spandimento diretto su suolo agricolo o forestale di ceneri provenienti
da combustione da biomassa non è consentito dalla legislazione e perciò le ceneri devono
essere conferite in discarica, trattate come rifiuto non pericoloso, secondo il D. Lgs. 22/97.
Installazione del motore a combustione esterna di Stirling
25
PARTE PRIMA
Sintesi dei parametri principali dell’impianto
26
L’IMPIANTO DI COGENERAZIONE DI CASTEL D’AIANO
Dati riassuntivi relativi all’impianto di Castel D’Aiano
1.
Potenza totale installata:
200 kW termici
2.
Rendimento termico del sistema
70%
3.
Rendimento elettrico del sistema
17,5% pari a 35 kW elettrici
4.
Dispersioni
12,5%
5.
Rendimento globale del sistema
87,5%
6.
Consumo di cippato al 40% di umidità 75 Kg/ora
7.
Ore di funzionamento previste
6.000 ore/anno
8.
Energia termica totale utilizzabile
(140 x 6000) = 840.000 kWh - 840 MWh /anno
9.
Energia elettrica prodotta
(35 x 6000) = 210.000 kWh - 210 MWh /anno
10. Consumo di cippato
pari a 140 kW termici
(75x6000) = 450.000 kg/anno - 450 tonnellate/anno
I Costi per la realizzazione dell’impianto
Costo opere civili
Costo reti e connessioni
Costo Apparecchiature di generazione
Impiantistica
Spese tecniche e accessorie
Costo totale
70.000 euro
50.000 euro
205.000 euro
90.000 euro
45.000 euro
460.000 euro
Se ne deduce che :
il costo per kW termico utile (140 kW) è pari a 3.285 euro/kWt
il costo per kW elettrico (35 kW) è pari a 13.142 euro/kWe
il costo macchinari è pari a 5.857 €/kW
Con riferimento alla vita utile dell’impianto di 15 anni si ha:
Energia termica complessivamente utilizzabile = 140x6000x15 = 12.600.000 kWht - 12.600 kWht
Energia elettrica complessivamente prodotta = 35x6000x15 = 3.150.000 kWe - 3.150 MWhe
L’incidenza del costo di impianto sull’energia prodotta nella vita utile risulta pertanto:
460.000 / 12.600.000 =
3,65 eurocent/kWht
460.000/ 3.150.000 = 14,60 eurocent/kWhe
27
PARTE PRIMA
1.4. LA FASE DI SPERIMENTAZIONE ED IL MONITORAGGIO
DELL’IMPIANTO
L’intero progetto parte da un rapporto di collaborazione tra il CISA, il CoSeA ed il Dipartimento
dell’Università Danese di Stoccolma, ed in particolare con la “Divisione energia e tecnologia
della combustione, dell’Istituto Reale della Tecnologia di Danimarca”.
In particolare Carlos Lucas, Dariusz Szewczyk, Wlodzimierz Blasiak, Ruchira Abeyweera si
sono occupati di studiare e mettere a punto un modello stazionario computerizzato per la
simulazione dell’impianto ed un prototipo della tecnologia fin qui descritta, allo scopo di
testare e dimostrare il funzionamento e le potenzialità della tecnologia da loro ideata.
Il modello di simulazione è di tipo stazionario e si basa principalmente sui bilanci di materia,
di energia e della massa ed è costituita da blocchi che descrivono le principali componenti:
gassificatore, camera di combustione, motore di Stirling e scambiatori di calore.
Il prototipo realizzato è stato testato per 450 ore di funzionamento, rilevando le temperature
ed i rendimenti dei singoli componenti.
In questo modo sono stati ricavati i dati relativi ai rendimenti elettrici, pari al 16,7 % ed i
rendimenti termici, paria al 71,30 %. Il sistema ha quindi un rendimento complessivo molto
elevato che si aggira attorno all’88%.
Grazie ad un accordo siglato con l’ENEA l’impianto di cogenerazione di Castel D’Aiano è
monitorato durante l’intero ciclo di produzione di calore ed energia elettriche.
I valori specifici di funzionamento dell’impianto sono infatti registrati in continuo da un
processore ed elaborati dall’ENEA, che ha assunto il ruolo di Ente di ricerca e supervisione
dell’intero progetto. In questo modo non sarà solamente possibile verificare il funzionamento
e l’efficienza dell’impianto, ma si potranno valutare la replicabilità e le possibilità di sviluppo
di queste tecnologie.
28
LA COGENERAZIONE DI PICCOLA TAGLIA COME RISPOSTA ALLE PROBLEMATICHE ENERGETICHE DELLA MONTAGNA
PARTE SECONDA
LA COGENERAZIONE DI PICCOLA
TAGLIA COME RISPOSTA ALLE
PROBLEMATICHE ENERGETICHE DELLA
MONTAGNA
2.1. LE SCELTE IMPIANTISTICHE E LA FILIERA DEL LEGNO
L’innovativa tecnologia proposta dal CISA – Centro Innovazione per la Sostenibilità Ambientale
– messa a punto in collaborazione con il CoSeA –Consorzio di Servizi Ambientali – per la
produzione di energia elettrica abbinata alla generazione di energia termica, comunemente
definita cogenerazione, risulta essere la soluzione ottimale per le problematiche energetiche
all’interno di territori montani.
Il sistema proposto, basato sulla gassificazione delle biomasse abbinate all’utilizzo di motori
a combustione esterna di Stirling, è caratterizzato da due elementi fondamentali: l’elevata
efficienza e la piccola taglia.
Con il termine biomassa si indica un vasto insieme
di materiali di natura estremamente eterogenea.
In generale viene definita biomassa tutto ciò
che ha matrice organica, ovvero quel materiale
costituito o derivato da organismi vegetali
o loro componenti, utilizzabile in processi di
trasformazione termochimica o biochimica. In
generale con biomasse si individuano tutte le
sostanze organiche derivanti direttamente o
indirettamente dalla fotosintesi clorofilliana.
Mediante questo processo le piante assorbono
dall’ambiente circostante l’anidride carbonica
(CO2) e l’acqua che, con l’apporto dell’energia
solare e delle sostanze minerali nutrienti
presenti nel terreno, vengono trasformate in
materiale organico utile alla crescita della pianta.
Tramite il processo controllato di combustione
delle biomasse allo scopo di produrre energia,
vengono dispersi nell’ambiente anidride
carbonica e vapore acqueo. Appare chiaro che
il bilancio dell’anidride carbonica emessa in
atmosfera tramite la combustione delle biomasse
è teoricamente nullo, questo solo se le quantità
di biomasse che si bruciano risultano equivalenti
alle quantità che si riproducono annualmente
grazie alla fotosintesi clorofilliana.
Processo di assorbimento dalla CO2
da parte delle piante
CO2 + H2O + energia solare ⇒ Cn(H2O)m + O2
Processo di combustione delle biomasse
Cn(H2O)m + O2 ⇒ CO2 + H2O + Energia Utile
29
PARTE SECONDA
L’efficienza del sistema è dimostrato dai bilanci di massa ed energia, infatti Il sistema sfrutta
circa l’87% dell’energia contenuta nel cippato di legno introdotto.
In altre parole la quasi totalità dell’energia contenuta all’interno del cippato di legno che è
utilizzato per il funzionamento dell’impianto viene trasformata in energia elettrica e in energia
termica, con un bassissimo livello di perdite energetiche del sistema.
Scendendo nel dettaglio dell’impianto di Castel D’Aiano, di 200 kW di energia contenuta nella
biomassa utilizzata all’interno dell’impianto, 35 kW vengono convertiti in energia elettrica che
viene poi ceduta alla rete elettrica Nazionale, con un rendimento della sola parte elettrica del
17,5%, 140 kW vengono trasformati in energia termica e ceduti alla rete di teleriscaldamento
a servizio delle strutture pubbliche, con un rendimento della sola parte termica del 70,0%
mentre solamente 25 kW termici vengono persi.
Il villaggio ecosostenibile danese di
Hjortshoj, tutta l’energia utilizzata viene
prodotta dalla centrale di cogenerazione
30
LA COGENERAZIONE DI PICCOLA TAGLIA COME RISPOSTA ALLE PROBLEMATICHE ENERGETICHE DELLA MONTAGNA
Gli impianti di cogenerazione, siano essi di piccola o grande taglia, devono funzionare in
continuo per raggiungere una elevata produzione di energia elettrica e permettere il rientro
economico dell’investimento. Questo comporta una produzione di energia termica anche nei
periodi in cui la richiesta da parte degli utenti è limitata, solitamente durante la notte e nei
periodi estivi.
Nel caso di impianti di piccola taglia l’energia termica prodotta nei periodi in cui la richiesta è
limitata è facilmente immagazzinabile in grandi accumulatori e riutilizzabile nei momenti di
picco. Durante il periodo estivo il quantitativo di energia termica prodotto viene poi utilizzata
per la coprire la necessità di acqua calda sanitaria e, nel caso dell’impianto di Castel D’Aiano
per aumentare la temperatura dall’acqua della piscina pubblica.
Gli impianti di cogenerazione di grossa taglia, al contrario, hanno il grande svantaggio di non
poter utilizzare totalmente l’energia termica che viene prodotta, con una conseguente riduzione
dell’efficienza globale dell’impianto. Risulta tecnicamente impossibile realizzare accumulatori
in grado di immagazzinare gli immensi volumi di acqua calda prodotti da impianti di grossa
taglia.
L’altra grande motivazione per cui un impianto di cogenerazione di piccola taglia risulta essere
una tecnologia vincente rispetto alle altre tecnologie per la produzione di energia da fonti
rinnovabili è rappresentato dalla sostenibilità ambientale dell’impianto stesso.
Gli impianti di cogenerazione realizzati con la tecnologia della gassificazione abbinata ai motori
a combustione interna di Stirling, proposti dal Progetto Cisa in collaborazione con Co.Se.A.,
con una potenza elettrica installata dai 35 kW ai 140 kW elettrici, necessitano di un bacino di
approvvigionamento del cippato di legna molto ridotto, sostenibile dai boschi locali.
Prima di intraprendere la realizzazione delle centrali a biomassa il CISA, allo scopo di verificarne
la sostenibilità ambientale e la fattibilità tecnico - economica, ha effettuato il progetto di
ricerca “Gestione forestale, lotta ai cambiamenti climatici e utilizzo energetico delle biomasse
forestali” 1 dal quale, avvalendosi anche di un modello di calcolo basato sul sistema GIS, è
possibile valutare il quantitativo di biomassa prelevabile in funzione di differenti metodi e
criteri di gestione forestale sostenibili.
La sola biomassa forestale utile presente nei comuni Obiettivo 2 sui quali si è concentrato il
progetto di ricerca, definita come il volume di biomassa che può essere prelevata tenendo
conto delle compatibilità ambientale, economiche e tecnico – infrastrutturali, è stata stimata
in circa 88.000 tonnellate.
1
il progetto di ricerca è disponibile all’indirizzo http://centrocisa.it/ciclocarModelloCalcolo.htm
31
PARTE SECONDA
Questo consente di eliminare tutti i rischi legati all’approvvigionamento del materiale, quali
la non sostenibilità nella gestione dei boschi o il rischio che il materiale derivi da paesi esteri o
da territori troppo lontani. La nascita di impianti di cogenerazione di piccola taglia distribuiti
sul territorio porterà quindi alla nascita di piccole filiere del legno, gestite da aziende agricole
locali con conseguenti vantaggi sia nella gestione sostenibile del bosco che nell’occupazione di
manodopera per l’approvvigionamento della materia prima.
L’utilizzo delle biomasse a scopo energetico produce quindi consistenti benefici a livello
ambientale, occupazionale e di politica energetica.
Benefici ambientali
La biomassa assorbe CO2 dall’atmosfera durante la crescita e la restituisce all’ambiente nel
corso della combustione. Pertanto, il bilancio della CO2, viene definito nullo. Le emissioni di
inquinanti acidi, ossidi di azoto, polveri e microinquinanti possono essere controllati con le
moderne tecnologie di combustione e depurazione dei fumi. Il basso contenuto di zolfo e di
altri inquinanti fa sì che, quando utilizzate in sostituzione di carbone e di olio combustibile, le
biomasse contribuiscano ad alleviare fenomeni di acidificazione.
Benefici occupazionali
E’ evidente che le diverse fasi del ciclo produttivo del combustibile da biomassa, sia esso di
origine agricola o forestale, creano posti di lavoro e favoriscono la ripresa dei settori agricolo e
forestale. Inoltre, anche l’industria collegata alle tecnologie di conversione energetica potrebbe
trarre un considerevole beneficio occupazionale.
Benefici per la politica energetica
L’energia delle biomasse vegetali contribuisce a ridurre la dipendenza dalle importazioni di
combustibili fossili e a diversificare le fonti di approvvigionamento energetico oltre che al
perseguimento degli obiettivi imposti nell’ambito delle conferenze internazionali sul clima.
Gli altri vantaggi che caratterizzano gli impianti di cogenerazione di piccola taglia sono
rappresentati dalle ridotte dimensioni delle reti di teleriscaldamento, che comportano bassi
investimenti per la loro realizzazione e limitati impatti ambientali.
Infine l’atro grande vantaggio di impianti di questo tipo deriva dalla totale automazione di ogni
fase, nello specifico l’impianto di Castel D’Aiano, primo esempio in Europa dell’applicazione
della gassificazione delle biomasse abbinate ai motori a combustione esterna di Stirling, è
totalmente automatizzato e non necessita di nessuna supervisione. L’impianto funziona
in continuo per l’intero corso dell’anno con solamente un paio di fermi della durata di una
giornata per la manutenzione. Questi impianti risultano quindi essere estremamente adatti per
la gestione anche da parte di enti pubblici.
32
LA COGENERAZIONE DI PICCOLA TAGLIA COME RISPOSTA ALLE PROBLEMATICHE ENERGETICHE DELLA MONTAGNA
In estrema sintesi possiamo individuare i vantaggi derivanti dall’utilizzo della tecnologia
proposta in:
‡ Alta efficienza, con rendimenti superiori a tutte le altre tecnologie per la produzione
di energia da fonti rinnovabili;
‡ Piccola taglia, che assicura la sostenibilità dell’intero processo;
‡ Sostenibilità ambientale dell’intera filiera , con benefici ambientali ed occupazionali;
‡ Piccole reti di teleriscaldamento, che assicurano bassi investimenti e ridotti impatti;
‡ Automazione ed assenza di supervisione, che rendono tali impianti adatti alla gestione
da parte di Enti Pubblici.
Per tutti questi motivi l’obiettivo di CISA e del CoSeA è quello di realizzare nei prossimi anni
impianti di piccola taglia che possano assicurare l’autonomia energetica di piccoli centri in
località montane.
La filiera corta del legno
Con filiera si intende l’insieme delle aziende che concorrono a produrre, distribuire e
commercializzare un dato prodotto. La filiera del legno viene definita corta quando le materie
prime provengono da un territorio contenuto in un raggio di 70 chilometri dall’impianto.
I vantaggi che derivano dalla nascita di filiere corte del legno a servizio di impianti presenti sul
territorio dell’Appennino comporta prima di tutto la nascita di una “nuova” economia a scala
locale totalmente sostenibile, che consente alla imprese agricole locali di trovare nuove forme
di sostentamento legate alla gestione del bosco, questo comporta una serie di vantaggi sia a
livello occupazionale che ambientale. La gestione sostenibile del bosco porta infatti alla nascita
di nuovi posti di lavoro legati alla manutenzione dei boschi, alla coppatura dei materiali ed al
conferimento di questi ultimi presso gli impianti.
La gestione sostenibile del bosco comporta poi vantaggi indiretti, tra i quali:
il valore aggiunto che un bosco ben curato porta a livello ambientale e paesaggistico, con
ricadute positive nel settore turistico;
la riduzione degli effetti di dilavamento e degli smottamenti a cui il territorio appenninico è
fortemente soggetto.
33
PARTE SECONDA
2.2. I PROCESSI DI GASSIFICAZIONE
In generale definiamo la gassificazione come un processo chimico che permette di convertire i
materiali ricchi di carbonio, come il carbone, il petrolio, o le biomasse, in monossido di carbonio,
idrogeno e altri composti gassosi. Il processo di degradazione termica avviene a temperature
elevate (superiori a 700-800°C), in presenza di una percentuale sotto-stechiometrica di un
agente ossidante: tipicamente ossigeno o vapore. La miscela gassosa risultante costituisce
quello che viene definito gas di sintesi o syngas.
I principi della gassificazione sono noti fin dalla fine del XVIII secolo e le prime applicazioni
commerciali di cui si ha notizia risalgono al 1830. Fino al 1950 circa, la gassificazione é stata
sempre effettuata in condizioni di pressione atmosferica: ciò ne limita le potenzialità, in quanto
l’equipaggiamento é ingombrante e non è possibile alimentare i moderni impianti con turbina
a gas (a meno di impegnarsi nella costosa operazione di compressione del syngas caldo).
Soltanto dopo il 1950 si é avuta a disposizione la tecnologia per la gassificazione in condizioni
pressurizzate, con un notevole potenziale per lo sviluppo di unità compatte ed adatte
all’alimentazione di turbine a gas.
Attualmente la gassificazione non è un sistema ampliamente sviluppato in Europa, ma trova
alcune applicazioni in impianti di grande dimensioni, abbinati a motori a combustione interna
con ciclo di Otto in paesi come la Cina e l’India dove il costo della manodopera e gli standard
ambientali sono di molto inferiori a quelli Europei.
La gassificazione delle biomasse è un processo termochimico in cui il materiale ligneo viene
convertito in un gas a basso o medio potere calorifico inferiore, mediante la vaporizzazione
dei componenti più volatili contenuti nel cippato, come l’anidride carbonica, l’idrogeno ed il
metano.
La maggior parte dei componenti che costituiscono il legno possono essere resi gassosi. Il
meccanismo tramite il quale questo fenomeno avviene è relativamente semplice e si basa
sulla combustione parziale del legno, ottenuta facendo filtrare una miscela calda di residui di
combustione ad una temperatura di circa 600°C – 800°C ed ossigeno in bassa percentuale, che
serve come comburente per alimentare la combustione parziale stessa, che viene così controllata
variando la percentuale di ossigeno nella miscela.
34
LA COGENERAZIONE DI PICCOLA TAGLIA COME RISPOSTA ALLE PROBLEMATICHE ENERGETICHE DELLA MONTAGNA
2.3. LA SCELTA TRA GASSIFICATORI DOWN
DRAFT E GASSIFICATORI UP - DRAFT
La gassificazione delle biomasse può avvenire con due diverse tecnologie, che si
contraddistinguono principalmente dalla tipologia del gassificatore all’interno del quale viene
inserita il cippato. I gassificatori si suddividono in down – draft, con spillatura del gas dalla
parte inferiore e up – draft, con spillatura del gas nella parte superiore.
Nei gassificatori con estrazione del gas dalla
parte inferiore, detti anche equi corrente, il
gas viene estratto dalla parete inferiore del
gassificatore ed esce ad una temperatura
piuttosto alta, funzione della temperatura
di combustione parziale, e quindi funzione
della tipologia di materiale in ingresso.
Prima di essere utilizzato il syngas deve
subire una serie di complessi meccanismi
di depurazione allo scopo di eliminare i
particolati, i metalli incombusti, i Tars lo
zolfo ed il cloro. All’interno dei gassificatori
down draft normalmente deve essere
inserito solamente materiale con umidità
inferiore al 15% e questo comporta grandi
problemi gestionali dell’impianto.
L’impianto sperimentale della Stirling Danmark, il sistema di essiccazione del cippato
35
PARTE SECONDA
Nei gassificatori up draft, detti anche
controcorrente, il syngas viene invece spillato
dall’alto, in questo modo prima di uscire
è costretto a filtrare attraverso il cippato
di legno, riscaldandolo, asciugandolo e
preparandolo così alla combustione parziale
ed alla gassificazione; il risultato è quello
di un gas a temperatura nettamente più
bassa e con un carico di aerosol che lo rende
adatto alla combustione in un bruciatore;
in questo tipo di gasogeni il combustibile
legnoso può avere umidità superiori al 60%,
questo fattore comporta grandi vantaggi
gestionali dell’impianto in quanto il cippato
di legno può essere inserito all’interno del
gassificatore senza essere sottoposto alla
fase di stagionatura.
Sono proprio questi ultimi, i gassificatori up draft, che sono stati scelti per la realizzazione
dell’impianto di Castel D’Aiano, in quanto comportano grandi vantaggi sia ambientali, con
la riduzione degli agenti inquinanti in uscita dall’impianto che possono essere considerati
trascurabili, sia vantaggi gestionali, in quanto il materiale che viene inserito all’interno del
gassificatore può avere un livello di umidità molto alto ed elevati percentuali di ceneri, potendo
inserire all’interno del gassificatore cippato che deriva anche da ramaglie e dagli sfalci.
Camera di combustione verticale con motore di stirling installato nella parte inferiore
36
LA COGENERAZIONE DI PICCOLA TAGLIA COME RISPOSTA ALLE PROBLEMATICHE ENERGETICHE DELLA MONTAGNA
Le reazioni chimiche ed i processi che avvengono all’interno del gassificatore di Castel D’aiano
sono descritte in dettaglio di seguito.
Nella zona inferiore del gassificatore il cippato di legno entra in contatto con i fumi caldi di
ricircolo che si trovano ad una temperatura di circa 400°C con un contenuto di ossigeno di
circa il 4%. Grazie all’elevata temperatura ed alla limitata percentuale di ossigeno il legno
subisce una combustione parziale che consente di mantenere accesi alcuni tizzoni ardenti.
Questa fase, che prende il nome di ossidazione, fa si che il carbonio contenuto nel cippato
si leghi con l’ossigeno a formare anidride carbonica, innescando il vero e proprio processo di
gassificazione. Nella zona di gassificazione il cippato di legno volatilizza e i fumi caldi inseriti
all’interno del gassificatore risalendo verso l’alto assumono anche la funzione di vettore per le
molecole che si liberano durante il processo. Il fluido vettore, che a questo punto è totalmente
privo di ossigeno, attraversando il letto di cippato fa scaturire una serie di reazioni chimiche
che portano alla formazione di monossido di carbonio, idrogeno e metano.
I fumi caldi, privi di umidità ed ossigeno, continuando nella loro risalita, incontrano nuovi strati
di cippato e provocano l’evaporazione delle molecole di acqua contenute nel legno, asciugando
ulteriormente la biomassa contenuta nel gassificatore. In questa fase avviene l’altra reazione
chimica che caratterizza il processo: la pirolisi. Questa reazione, che avviene a temperatura
inferiore rispetto alla ossidazione ed alla gassificazione, comporta una serie di reazioni chimiche
nelle quali l’anidride carbonica che si è prodotta nella fasi precedenti si lega con l’idrogeno, il
metano e l’ossigeno a formare un’ulteriore porzione di monossido di carbonio.
In uscita dal gassificatore quindi il syngas è formato principalmente da monossido di carbonio,
idrogeno e metano, che rappresentano la porzione combustibile del gas, assieme alla quale si
trova una limitata percentuale di anidride carbonica e azoto.
Camera di combustione verticale con motore di stirling installato nella parte superiore
37
PARTE SECONDA
In estrema sintesi le reazioni che avvengo all’interno del gassificatore installato nell’impianto
di Castel D’Aiano sono:
Ossidazione
C + O2 = CO2
C + 2H20 = CO2 + 2H2O
Gassificazione
C + H2O = CO + H2
C + C02 = 2CO
C + 2 H2 = CH4
CO2 + H2 = CO + H2O (liquida)
Pirolisi
CO2 + H2 = CO + H2O (gas)
CH4 + ½ O2 = CO + 2H2
In generale, ma i dati variano in base ed alle caratteristiche della biomassa utilizzata, il risultato
che si ottiene da tali processi porta ad ottenere:
19% CO
(MONOSSIDO DI CARBONIO)
18% H2
(IDROGENO)
3%
(METANO)
CH4
10% CO2
(ANIDRIDE CARBONICA)
50% N2
(AZOTO MOLECOLARE)
P.C.I. (POTERE CALORIFICO INFERIONE) = 1,3 kWh/Nm3
38
GAS COMBUSTIBILI
GAS INCOMBUSTIBILI
LA COGENERAZIONE DI PICCOLA TAGLIA COME RISPOSTA ALLE PROBLEMATICHE ENERGETICHE DELLA MONTAGNA
Il gas ottenuto in questo modo viene comunemente chiamato syngas o gas di gasogeno e nel
caso dell’impianto di Castel d’Aiano fuoriesce dalla parte superiore del gassificatore ad una
temperatura di circa 170°C.
Il gas entra direttamente nella camera di combustione, nella quale viene fatto bruciare a circa
1250°C, a questa temperatura avviene una combustione totale di tutti gli elementi, compresi
i catrami e le eventuali impurità. In questo modo in uscita dal camino troviamo solamente
anidride carbonica, vapore acqueo e residui incombusti trascurabili.
Gli incentivi derivanti dall’utilizzo di biomasse
Per quanto riguarda gli incentivi disponibili, al momento l’utilizzo della biomassa vegetale
dà accesso ai Certificati Verdi e ai Titoli di Efficienza Energetica. Il recente D.Lgs. 159/0710
ha introdotto diverse novità nello schema di incentivazione dell’energia elettrica prodotta da
biomasse vegetali.
L’energia elettrica prodotta da biomasse e biogas derivanti da prodotti agricoli, di allevamento
e forestali ottenuti mediante filiere corte, cioè entro un raggio di 70 chilometri dall’impianto
che li utilizza, è incentivata mediante emissione di Certificati Verdi per un periodo di 15 anni e
in numero pari al prodotto della produzione di energia moltiplicata per il coefficiente di 1,8.
Gli impianti di potenza inferiore a 1 MW che producono energia elettrica utilizzando biomasse
e biogas ottenuti come sopra definito hanno diritto a una tariffa fissa omnicomprensiva pari a
0,30 €/kWh, per un periodo di 15 anni, in alternativa ai certificati verdi. Nel 2007, i Certificati
Verdi hanno assunto il valore di mercato di circa 118 €/MWh.
La fabbrica dove vengono realizzati gli elementi dell’impianto
39
PARTE SECONDA
2.4 MOTORI A COMBUSTIONE INTERNA ED ESTERNA
2.4.1 I Motori a combustione interna
Come già descritto in precedenza il syngas prodotto dalla gassificazione delle biomasse può
essere utilizzato per il funzionamento di motori, siano essi a combustione interna o esterna.
Nei motori a combustione interna il gas che viene utilizzato deriva dai gassificatori down-draft,
con estrazione del gas della parte inferiore del gassificatore. Utilizzando questa tecnologia è
necessario introdurre nel gassificatore un cippato di legno con una umidità (W) non superiore
al 15% e con pezzatura ottimale.
Il gas così ottenuto deve essere trattato tramite una serie di processi allo scopo di eliminare
le impurità presenti. Il gas estratto dal gassificatore down-draft prima di essere utilizzato
all’interno dei motori a combustione interna deve essere filtrato, depurato e condensato. Tutti
questi processi comportano una riduzione dell’efficienza dell’intero sistema, con conseguenti
problemi di carattere gestionale ed economico.
Una volta depurato, il syngas passa direttamente nella camera di combustione interna del
motore, in questa il processo non è ottimizzato per la combustione del gas di sintesi e quindi i
fumi in uscita presenteranno sempre una componente incombusta inquinante.
Un altro problema fondamentale nell’utilizzo della gassificazione delle biomasse abbinate ai
motori a combustione interna deriva dalla elevata manutenzione a cui questi motori devono
essere sottoposti.
Il syngas entra infatti in contatto diretto con la parti in movimento del motore e, a causa della
presenza residua di catrami ed altri elementi incombusti, provoca un rapido deterioramento
di tutti gli elementi del motore stesso, con un elevato numero di manutenzioni a cui il motore
deve essere sottopoto.
La fabbrica dove vengono realizzati gli elementi dell’impianto
40
LA COGENERAZIONE DI PICCOLA TAGLIA COME RISPOSTA ALLE PROBLEMATICHE ENERGETICHE DELLA MONTAGNA
In sintesi i problemi legati alla gassificazione combinata con motori a combustione interna
sono:
‡ Per abbinare un gassificato con un motore a combustione interna è necessario utilizzare
gassificatori per biomassa secca, vale a dire con un contenuto percentuale di umidità W
< 15%;
‡ Prima di introdurre il syngas all’interno della camera di combustione interna del motore
occorre depurare il gas dai catrami e dai residui chimici derivanti dalla gassificazione
con una conseguente produzione dei residui che attualmente sono considerati come
rifiuti speciali e le perdite energetiche derivanti dalla depurazione;
‡ Altri inconvenienti nell’utilizzo di motori endotermici derivano dall’elevata manutenzione, infatti i gas che entrano in contatto con tutte le parti in movimento del motore
provocano una forte ossidazione ed un rapido deterioramento, inoltre i motori a combustione interna hanno un’elevata rumorosità;
Esempio di motore endotermico a ciclo di Otto
41
PARTE SECONDA
2.4.2 Le applicazioni storiche
Il 29 ottobre 1929, giorno passato alla storia come il famoso “martedì nero“, con il crollo della
borsa affari di New York iniziò la cosiddetta grande depressione, la più grave crisi economica
a livello mondiale.
Anche per l’Italia, non esente dalla crisi mondiale, iniziò negli stessi anni un periodo di austerità,
aggravata dalla crescente scarsità di petrolio che diveniva sempre più prezioso con l’aumentare
del parco circolante.
Per cercare di ovviare in qualche modo alla situazione che rischiava di paralizzare il seppur
limitato trasporto dell’epoca erano molti gli inventori che in quegli anni hanno studiato
l’applicazione pratica dei principi di gassificazione di combustibili solidi all’autotrazione
realizzando dei “gasogeni” di dimensioni compatte da poter essere installati su un’automobile
o su un autocarro e funzionanti con combustibili “poveri” come legna e carbone.
Il sistema sfruttava la proprietà del carbonio di combinarsi facilmente con l’ossigeno a
temperatura elevata, e la proprietà della miscela aria – ossido di carbonio di essere altamente
esplosiva. L’apparecchio aveva la funzione di bruciare in modo incompleto questi combustibili
poveri per produrre una miscela di gas ancora combustibile composta da ossido di carbonio,
idrogeno, metano e altri in proporzione minore, con un potere calorico più che sufficiente a far
funzionare un motore endotermico.
L’impianto a gasogeno comprendeva un generatore di gas, dei filtri, un sistema di raffreddamento,
un ventilatore con relativo condotto per l’aria e un carburatore.
Il generatore di gas era costruito da un cilindro in ferro rivestito di materiale refrattario fino
all’altezza del fornello e posto verticalmente. Questo elemento, oltre a contenere la carica del
combustibile era a contatto tramite una griglia con il fornello, dove avveniva la combustione.
Il generatore era chiuso accuratamente in alto per poter contenere e accumulare il gas prodotto
e presentava un’apertura munita di valvola automatica per far entrare l’aria necessaria alla
combustione. Prima di partire era necessario fare la carica di carbonella o di legna nel bruciatore,
riempire d’acqua il serbatoio dell’evaporatore, chiudere il tutto e infine accendere il fornello,
proprio come se fosse una normale stufa a legna.
42
LA COGENERAZIONE DI PICCOLA TAGLIA COME RISPOSTA ALLE PROBLEMATICHE ENERGETICHE DELLA MONTAGNA
Il motore così alimentato perdeva un 25% di potenza e il veicolo aumentava di peso da uno a
due quintali riducendo ulteriormente le prestazioni. Il rapporto di compressione doveva essere
portato a 8: 1 e questo si otteneva sostituendo i pistoni con altri a cielo.
Nel 1933, un’Alfa Romeo 1750 OTC Compressore, alimentata a gasogeno, partecipò alla Mille
Miglia e una Balilla, con tale impianto effettuò il raid Roma – Budapest di 2900 km in piena
stagione invernale.
L’Alfa Romeo 6 C 1750 con compressore
alimentato a carbone di legna con il quale
il Generale Ferraguti “…percorse senza
alcuna noia ben centomila chilometri…”,
riferiscono le cronache dell’epoca (1939)
e “…Fu necessario soltanto un cambio
di cuscinetti degli aspi, cambio che si
sarebbe dovuto fare lo stesso se fosse
stato alimentato a benzina…”
Da notare la strana forma dei parafanghi
posteriori, appositamente studiati per
contenere la carbonella.
43
PARTE SECONDA
Riportiamo alcuni dati relativi al gasogeno a legna modello “Roma” montato dalla ditta Alfa
Romeo nei primi anni cinquanta: costo: 12.000 -15.000 lire; rendimento: 1 CV ora con 0.80 Kg
di legna secca; consumi: 1 litro di benzina equivaleva a 2.5 Kg di legna.
Nell’ottica dell’autarchia dei carburanti promossa del governo fascista fu emanata nel 1938
una legge che imponeva l’impianto a gasogeno su tutti gli autoservizi pubblici.
Autobus modello Lancia Omicron
Autobus modello Alfa Romeo 110 AG
Autobus modello Lancia Omicron
Allo scoppio della seconda guerra mondiale poi l’applicazione del gasogeno segnò un forte
incremento, e fu proprio grazie a questa tecnologia che, negli anni più duri della nostra storia
nazionale, si riuscì a mantenere attiva una seppur minima rete di trasporti stradali, divenuti
vitali dopo che la rete ferroviaria venne devastata dai bombardamenti aerei.
44
LA COGENERAZIONE DI PICCOLA TAGLIA COME RISPOSTA ALLE PROBLEMATICHE ENERGETICHE DELLA MONTAGNA
2.5. CARATTERISTICHE E FUNZIONAMENTO DEL MOTORE
A COMBUSTIONE ESTERNA DI STIRLING
L’applicazione della gassificazione delle biomasse a motori a combustione esterna, detti
esotermici, comporta quindi una serie di vantaggi che possono essere riassunti in:
‡ Utilizzo di gassificatori up-draft per biomassa umida, con una un contenuto percentuale
di umidità W > 60%, questo comporta la possibilità di utilizzare anche biomasse non
particolarmente stagionate;
‡ Avere una combustione diretta del gas all’interno del motore senza la necessità di
“raffinare” il syngas, ovviando in questo modo alla produzione di residui speciali e alle
perdite energetiche;
‡ Il gas viene bruciato in una camera di combustione che può essere controllata
elettronicamente, aumentando in questo modo l’efficienza complessiva del sistema e
minimizzando le emissioni;
‡ Avere una manutenzione minima, infatti il gas non entra mai in contatto con gli elementi
in movimento del motore che, nel caso del motore di Stirling sono il la metà rispetto ad
un normale motore a combustione endotermica;
‡ Altri vantaggi nell’utilizzo di motori a combustione esterna sono rappresentati
dall’elevata autonomia e dalla silenziosità.
Esempio di motore endotermico di Stirling
45
PARTE SECONDA
Vediamo ora più in dettaglio le caratteristiche ed il funzionamento del motore di Stirling.
Questo motore fu inventato nel 1816 dal Reverendo scozzese
Robert Stirling allo scopo di migliorare le prestazioni e di ridurre i
numerosi incidenti derivanti dall’utilizzo dei motori a vapori.
La tecnologia del motore a combustione esterna non ha trovato
numerose applicazioni nel corso degli anni perché i materiali
e le tecnologie utilizzate nel 1800 per la sua costruzione non
risultavano affidabili in confronto ai motori a combustione interna
che risultano, sotto il profilo termodinamico, molto più semplici e
sicuri.
Oggi il motore a combustione esterna di Stirling è tornato ad
essere una tecnologia vincente grazie ai grandi passi avanti fatti
nel campo dei materiali e dei sistemi di controllo elettronico del
processo di combustione. Il motore di Stirling ha infatti un’elevata
resa solamente a temperature e pressioni molto elevate, che erano
difficilmente controllabili fino a poche decine di anni fa.
Robert Stirling
Il motore si basa sul principio di funzionamento del ciclo chiuso, utilizzando un gas come
fluido termodinamico (solitamente aria, azoto oppure elio o idrogeno nelle versioni ad alto
rendimento). Il motore entra in funzione quando si raggiunge una opportuna differenza di
temperatura tra il suo punto caldo ed il punto freddo.
Esistono tre diverse configurazioni del motore Stirling:
La configurazione Alfa
46
La configurazione Beta
La configurazione Gamma
LA COGENERAZIONE DI PICCOLA TAGLIA COME RISPOSTA ALLE PROBLEMATICHE ENERGETICHE DELLA MONTAGNA
La particolarità di questo motore, in tutte e tre le configurazioni, è quella di funzionare senza
fare ricorso a valvole, mantenendo come sole parti in movimento i pistoni ed il dislocatore che
agiscono collegati ad un albero motore con una coppia di gomiti sfasati tra loro di 90 gradi,
riducendo in questo modo l’usura degli elementi e la conseguente manutenzione del motore.
Il motore di Stirling installato a Castel d’Aiano
47
PARTE SECONDA
Di seguito descriviamo il funzionamento in configurazione Alfa, quella utilizzata per la
realizzazione del motore installato nell’impianto di cogenerazione di Castel D’Aiano.
Il ciclo di funzionamento prevede il movimento dei pistoni in seguito all’espansione ed alla
compressione del gas che scorre alternativamente da un ambiente regolato da un termostato
caldo ad uno con termostato freddo dopo essere passato da un rigeneratore di calore.
Lo scambiatore caldo rappresenta la sorgente ad alta temperatura del ciclo che essendo
esterna è svincolata dalla macchina e può quindi essere di qualsiasi tipo. Il rigeneratore assorbe
e restituisce alternativamente calore al fluido di lavoro.
Lo scambiatore freddo che costituisce la sorgente a bassa temperatura, è uno scambiatore
a flusso incrociato a fascio tubiero in cui i tubi sono lambiti esternamente dall’acqua di
raffreddamento, mentre all’interno dei tubi fluisce il fluido di lavoro.
Il moto del fluido che evoluisce è regolato non dalla presenza di valvole, bensì dalle variazioni
dei volumi relativi che compongono lo spazio di lavoro offerto al fluido stesso e queste variazioni
vengono prodotte dal moto degli stantuffi.
48
Dettaglio dei cilindri del motore installato a Castel d’Aiano
Alloggiamento dei cilindri all’interno della testata
La testata prima di essere installata sul motore
Dettaglio dei condotti di collegamento tra cilindro freddo e cilindro caldo
LA COGENERAZIONE DI PICCOLA TAGLIA COME RISPOSTA ALLE PROBLEMATICHE ENERGETICHE DELLA MONTAGNA
In funzione delle posizioni assunte dagli stantuffi si individuano quattro fasi:
FASE 1
FASE 2
Il pistone caldo si trova al PMS
Il pistone freddo si trova al PMS
Il pistone freddo accelera ed il pistone caldo
decelera, l’elio si muove dal pistone freddo
a quello caldo, percorrendo il condotto di
collegamento, fase di compressione con
aumento di pressione per riduzione di
volume.
L’elio si trova alla massima compressione
all’interno del condotto di collegamento
e nel cilindro caldo, fase di riscaldamento
ed aumento di pressione per aumento di
temperatura.
FASE 3
FASE 4
Il pistone caldo si trova al PMI
Il pistone freddo si trova al PMI
L’elio libera la propria pressione e si espande
cedendo energia all’albero motore, l’elio
percorre il condotto in senso contrario, fase
di espansione e riduzione di pressione per
aumento di volume.
L’elio ha raggiunto il pistone freddo e cede
calore all’acqua di raffreddamento, perdendo
pressione, inizia la fase di raffreddamento
e diminuzione di pressione per calo di
temperatura.
49
PARTE SECONDA
Il Ciclo termodinamico ed il rendimento del motore di Stirling
Il ciclo termodinamico è quindi composto da quattro trasformazioni, rappresentate nel piano
(p, V):
‡ 1 ‡ 2: compressione isoterma a temperatura T1 , con diminuzione di volume ed aumento
di pressione
‡ 2 ‡ 3: trasformazione isocora con aumento di pressione e di temperatura, da T1 a T2.
‡ 3 ‡ 4: espansione isoterma a temperatura T2 , con aumento di volume e diminuzione di
pressione
‡ 4 ‡ 1: trasformazione isocora con diminuzione di pressione e di temperatura che ritorna
al valore iniziale T1.
Il ciclo ideale
Il ciclo reale
In realtà il ciclo termodinamico reale si scosta leggermente da quello ideale, generando perdite
energetiche, causate dell’impossibilità di avere la fase di riscaldamento e raffreddamento
perfettamente isocoro. I pistoni infatti non possono fermarsi e quindi l’elio non può assorbire
o cedere calore a volume costante.
50
LA COGENERAZIONE DI PICCOLA TAGLIA COME RISPOSTA ALLE PROBLEMATICHE ENERGETICHE DELLA MONTAGNA
Il rendimento del motore, in linea teorica, può essere calcolato come il rapporto fra l’energia
che ottengo durante un ciclo e l’energia che deve essere fornita durante il ciclo stesso:
= energia che ottengo / energia che fornisco
Il lavoro ottenuto può essere calcolato utilizzando il primo principio della termodinamica,
che uguaglia la variazione di energia interna durante una trasformazione termodinamica alla
differenza fra il calore assorbito ed il lavoro fatto dal sistema durante la trasformazione stessa.
In un ciclo la variazione di energia interna è nulla e quindi il lavoro ottenuto coincide con
la quantità di calore complessivamente scambiata fra sistema ed ambiente durante tutte le
trasformazioni che costituiscono il ciclo.
Graficamente il lavoro ottenuto è rappresentato dall’area contenuta nella curva che rappresenta
il ciclo stesso nel piano pV.
Per determinare L e Q si considerano le singole trasformazioni:
L = Q12 = nRT ln(V /V )
12
1
1
2
L =0
dove: Q = nc (T – T )
23
BC
V
2
1
L = Q = nRT ln(V /V )
CD
L
DA
CD
2
2
1
=0
dove: Q
DA
= nc (T – T )
V
1
2
Quindi: L = nR ln(V /V ) (T – T )
2
1
2
1
51
PARTE SECONDA
2.6. UN SISTEMA COMPETITIVO NON SOLO SUL TERRENO DELLE
ENERGIE RINNOVABILI, MA ANCHE SU QUELLO DEI BILANCI ECONOMICI
Ipotesi tecniche ed economiche di sistemi di cogenerazione gassificatore+stirling.
In queste pagine sono presentate una serie di simulazioni tecniche ed economiche per impianti
da 70, 105 e 140 kW elettrici. Tali simulazioni si basano sull’ ipotesi di impianti connessi ad una
rete di teleriscaldamento della lunghezza di circa 500 metri.
L’ottimizzazione dell’impianto viene realizzata con un funzionamento fissato in 8.000 ore/anno
tenendo conto di un periodo di manutenzione limitato a 1 un mese circa per ogni motore.
Le simulazioni riguardano ovviamente sistemi di cogenerazione, in cui sia cioè possibile utilizzare
e vendere anche il calore. I risultati sono confortanti perchè dimostrano che nelle ipotesi di
vendere almeno il 60-70% del calore prodotto, gli impianti si reggono anche senza sovvenzioni
(a parte ovviamente le tariffe incentivate per la cessione in rete dell’energia elettrica).
Come si può vedere dalla tabella riassuntiva i tempi di ritorno semplice degli investimenti sono
per i casi migliori, paragonabili a quelli dell’eolico.
Ovviamente si tratta di ipotesi di massima perchè per gli impianti più grossi la rete di
teleriscaldamento dovrà essere più lunga, perchè nasce il problema di dove piazzare gli impianti
e perchè più si va su con la taglia dell’impianto più cippato serve e più frequenti devono essere
i viaggi: l’impianto da 140 kW vuole 2.400 tonnellate/anno di cippato e non è possibile metterlo
dentro un centro abitato o dove la viabilità non è più che buona.
E’ il motivo per cui il sistema con 2 motori risulta oggi essere quello ottimale anche se la richiesta
termica della rete magari è più elevata.
70 Kw
con rete senza rete
Tipo di impianto
Ore di funzionamento
Consumo cippato (W 40%)
Margine operativo lordo
Margine ante imposte
Tempo di ritorno semplice
52
ore/anno
t/anno
%
%
anni
8.000
1.200
51%
19%
6,3
8.000
1.200
51%
24%
5,0
105 Kw
con rete senza rete
8.000
1.800
56%
29%
4,9
8.000
1.800
56%
33%
4,2
145 Kw
con rete senza rete
8.000
2.400
59%
32%
4,5
8.000
2.400
59%
35%
3,9
LA COGENERAZIONE DI PICCOLA TAGLIA COME RISPOSTA ALLE PROBLEMATICHE ENERGETICHE DELLA MONTAGNA
SCHEDA RIASSUNTIVA COGENERATORE TIPO CON
CON
RETE TELERISCALDAMENTO
400 kW totali
280 kW termici
70 kW elettrici
Caratteristiche Tecniche Sistema di generazione
Gasificatore
Potenza complessiva
Potenza termica ricavabile
Potenza elettrica ricavabile
Generatori di calore
Potenza termica unitaria
Macchine installate
Potenza termica installata
Generatori elettrici
Potenza elettrica unitaria
Macchine installate
Potenza elettrica installata
Valore dell'investimento
1 Opere civili
2 Gasificatore
3 Generatori
4 Impiantistica e connessioni
5 Sistema del cippato
6 Rete teleriscaldamento
7 Connessioni elettriche
8 Spese tecniche
9 Imprevisti
Costi di investimento totale a kW installato
per kW termico utile
per kW elettrico utile
Costi di investimento macchinari a kW installato
per kW termico utile
per kW elettrico utile
Valore della produzione
Energia termica
Energia Elettrica
Costi della produzione
Cippato
Altre fonti energetiche
Personale
Servizi esterni
Manutenzione
Diversi
Margine operativo lordo
Ammortamenti
Oneri finanziari (media 10 anni)
Margine ante imposte
2
400 kW
280 kWt
70 kWe
Motori
Produzione annua di energia
Periodo di funzionamento
Periodo di utilizzazione termica
Energia termica utile
Energia elettrica utile
Energia passiva
8.000
6.000
2.240
560
400
Destinazione commerciale dell'energia
Energia termica venduta
Energia termica da disperdere
Energia elettrica venduta
1.680 MWh
560 MWh
560 MWh
Cippato consumato
Consumo orario (W=40%)
Quantitativo totale
150 kg/h
1.200 ton/anno
ore
ore
MWh
MWh
MWh
140 kWt
2 n°
280 kWt
35 kWe
2 n°
70 kWe
952.000
70.000
90.000
300.000
180.000
30.000
150.000
10.000
99.600
22.400
€
€
€
€
€
€
€
Fonti fossili risparmiate
Per energia termica
Per energia elettrica
144 TEP
140 TEP
€
€
Incidenza costi di investimento su energia prodotta
Energia termica utile
Energia elettrica utile
3.400 €/kW
13.600 €/kW
420.000
1.500 €/kW
6.000 €/kW
75 €/MWh
300 €/MWh
60 €/ton
€
Su costo investimento totale
Su costo investimento macchinari
€
€
€
294.000
126.000
168.000
€
€
€
€
€
€
€
144.240
72.000
8.640
25.000
18.000
12.600
8.000
€
149.760 51%
-63.467
-31.706
54.587 19%
15 anni
33.600 MWh
8.400 MWh
28
113
13
50
€/MWht
€/Mwhe
€/MWht
€/Mwhe
53
PARTE SECONDA
SCHEDA RIASSUNTIVA COGENERATORE TIPO CON
CON
RETE TELERISCALDAMENTO
600 kW totali
420 kW termici
105 kW elettrici
Caratteristiche Tecniche Sistema di generazione
Gasificatore
Potenza complessiva
Potenza termica ricavabile
Potenza elettrica ricavabile
Generatori di calore
Potenza termica unitaria
Macchine installate
Potenza termica installata
Generatori elettrici
Potenza elettrica unitaria
Macchine installate
Potenza elettrica installata
Valore dell'investimento
1 Opere civili
2 Gasificatore
3 Generatori
4 Impiantistica e connessioni
5 Sistema del cippato
6 Rete teleriscaldamento
7 Connessioni elettriche
8 Spese tecniche
9 Imprevisti
Costi di investimento macchinari a kW installato
per kW termico utile
per kW elettrico utile
Valore della produzione
Energia termica
Energia Elettrica
Costi della produzione
Cippato
Altre fonti energetiche
Personale
Servizi esterni
Manutenzione
Diversi
Margine operativo lordo
Ammortamenti
Oneri finanziari (media 10 anni)
Margine ante imposte
54
600 kW
420 kWt
105 kWe
Motori
Produzione annua di energia
Periodo di funzionamento
Periodo di utilizzazione termica
Energia termica utile
Energia elettrica utile
Energia passiva
8.000
6.000
3.360
840
600
Destinazione commerciale dell'energia
Energia termica venduta
Energia termica da disperdere
Energia elettrica venduta
2.520 MWh
840 MWh
840 MWh
Cippato consumato
Consumo orario (W=40%)
Quantitativo totale
225 kg/h
1.800 ton/anno
ore
ore
MWh
MWh
MWh
140 kWt
3 n°
420 kWt
35 kWe
3 n°
105 kWe
1.210.000
100.000
100.000
450.000
210.000
30.000
150.000
20.000
127.200
22.800
Costi di investimento totale a kW installato
per kW termico utile
per kW elettrico utile
3
€
€
€
€
€
€
€
Fonti fossili risparmiate
Per energia termica
Per energia elettrica
217 TEP
210 TEP
€
€
Incidenza costi di investimento su energia prodotta
Energia termica utile
Energia elettrica utile
2.881 €/kW
11.524 €/kW
580.000
1.381 €/kW
5.524 €/kW
75 €/MWh
300 €/MWh
60 €/ton
€
Su costo investimento totale
Su costo investimento macchinari
€
€
€
441.000
189.000
252.000
€
€
€
€
€
€
€
193.360
108.000
12.960
25.000
22.000
17.400
8.000
€
247.640 56%
-80.667
-40.299
126.674 29%
15 anni
50.400 MWh
12.600 MWh
24
96
12
46
€/MWht
€/Mwhe
€/MWht
€/Mwhe
LA COGENERAZIONE DI PICCOLA TAGLIA COME RISPOSTA ALLE PROBLEMATICHE ENERGETICHE DELLA MONTAGNA
SCHEDA RIASSUNTIVA COGENERATORE TIPO CON
CON
RETE TELERISCALDAMENTO
800 kW totali
560 kW termici
140 kW elettrici
Caratteristiche Tecniche Sistema di generazione
Gasificatore
Potenza complessiva
Potenza termica ricavabile
Potenza elettrica ricavabile
Generatori di calore
Potenza termica unitaria
Macchine installate
Potenza termica installata
Generatori elettrici
Potenza elettrica unitaria
Macchine installate
Potenza elettrica installata
Valore dell'investimento
1 Opere civili
2 Gasificatore
3 Generatori
4 Impiantistica e connessioni
5 Sistema del cippato
6 Rete teleriscaldamento
7 Connessioni elettriche
8 Spese tecniche
9 Imprevisti
Costi di investimento macchinari a kW installato
per kW termico utile
per kW elettrico utile
Valore della produzione
Energia termica
Energia Elettrica
Costi della produzione
Cippato
Altre fonti energetiche
Personale
Servizi esterni
Manutenzione
Diversi
Margine operativo lordo
Ammortamenti
Oneri finanziari (media 10 anni)
Margine ante imposte
800 kW
560 kWt
140 kWe
Motori
Produzione annua di energia
Periodo di funzionamento
Periodo di utilizzazione termica
Energia termica utile
Energia elettrica utile
Energia passiva
8.000
6.000
4.480
1.120
800
Destinazione commerciale dell'energia
Energia termica venduta
Energia termica da disperdere
Energia elettrica venduta
3.360 MWh
1.120 MWh
1.120 MWh
Cippato consumato
Consumo orario (W=40%)
Quantitativo totale
300 kg/h
2.400 ton/anno
ore
ore
MWh
MWh
MWh
140 kWt
4 n°
560 kWt
35 kWe
4 n°
140 kWe
1.540.000
120.000
120.000
600.000
240.000
60.000
150.000
50.000
160.800
39.200
Costi di investimento totale a kW installato
per kW termico utile
per kW elettrico utile
4
€
€
€
€
€
€
€
Fonti fossili risparmiate
Per energia termica
Per energia elettrica
289 TEP
280 TEP
€
€
Incidenza costi di investimento su energia prodotta
Energia termica utile
Energia elettrica utile
2.750 €/kW
11.000 €/kW
780.000
1.393 €/kW
5.571 €/kW
75 €/MWh
300 €/MWh
60 €/ton
€
Su costo investimento totale
Su costo investimento macchinari
€
€
€
588.000
252.000
336.000
€
€
€
€
€
€
€
243.680
144.000
17.280
25.000
26.000
23.400
8.000
€
15 anni
67.200 MWh
16.800 MWh
23
92
12
46
€/MWht
€/Mwhe
€/MWht
€/Mwhe
344.320 59%
-102.667
-51.289
190.364 32%
55
Siti internet di interesse
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
http://www.stirling-engines.net/
http://www.sunmachine.de/english/presse_1.html#
http://www.sunmachine.de/english/presse_1.html
http://www.sunmachine.de/english/vergleich_1.html
http://www.pmresearchinc.com/solar003.htm
http://www.bekkoame.ne.jp/~khirata/english/begin.htm
http://www.keveney.com/Stirling.html animazione
http://www.keveney.com/Vstirling.html
http://www.psa.es/webeng/instalaciones/discos.html
http://www.me.dal.ca/~dp_03_3/ progetto
http://www.stirling-engine.de/engl/technischedaten.html
http://www.stirling-motor.com/S400.shtml
http://www.stirlingsteele.com/ stirling
http://www.uwemoch.de/
http://www.stirlingengine.com/faq/one?scope=public&faq_id=1
http://www.forumenergia.net/pagni.asp
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http://www.stmpower.com/Technology/Technology.asp
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Pubblicazioni di interesse
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56
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Encinar, J. M., González, J. F. and González, J., Fuel, (2002).
Fagbemi, L., Khezami, L., and Capart, R., Applied Energy (2001).
Mathieu, P. and Dubuisson, R., Energy Conversion and Management (2002).
Brage, C., Qizhuang, Y., Chen, G. and Sjöström, K., Biomass and Bioenergy, (2000).
Morf, P., Hasler P. and Nussbaumer, T. Fuel, (2002).
Simell, P.A., Hepola, J.O. and Krause, A.O.I. Fuel (1997).
INDICE
INTRODUZIONE
pag. 1
PARTE PRIMA
1. “L’IMPIANTO DI COGENERAZIONE DI CASTEL D’AIANO”
pag. 3
Introduzione
3
1.1. Le strutture servite dall’impianto
4
1.2. La struttura dell’impianto
6
1.2.A. Schema di funzionamento
1.2.B. Il gassificatore
1.2.C. La camera di combustione
1.2.D. Il motore di Stirling
1.2.E. I sistemi elettronici di controllo e gestione
1.2.F. Gli accumulatori termici
1.2.G. Il deposito del cippato
1.2.H. La coclea di carico
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1.3. Dimensionamenti e dati tecnici
1.3.A.
1.3.B.
1.3.C.
1.3.D.
17
Il syngas prodotto
Il fabbisogno di cippato
La produzione di energia elettrica e termica
I Parametri ambientali
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1.4. La fase di sperimentazione ed il monitoraggio dell’impianto
28
PARTE SECONDA
2. “LA COGENERAZIONE DI PICCOLA TAGLIA COME RISPOSTA ALLE
PROBLEMATICHE ENERGETICHE DELLA MONTAGNA”
pag. 29
2.1. Le scelte impiantistiche e la filiera del legno
29
2.2. I Processi di Gassificazione
34
2.3. La scelta tra gassificatore down – draft e gassificatore up – draft
35
2.4. Motori a combustione interna ed esterna
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2.4.1. Motori a combustione interna
40
2.4.2. Le applicazioni storiche
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2.5. Caratteristiche e funzionamento del motore a combustione
esterna di Stirling
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2.6. Un sistema competitivo non solo sul terreno delle energie rinnovabili,
ma anche su quello dei bilanci economici
52
SITI E PUBBLICAZIONI DI INTERESSE
pag. 56
CISA ha prodotto numerosi materiali di divulgazione che sono reperibili c/o la sede CISA a Porretta Terme
1. opuscolo generale di presentazione del progetto BO 110
2. opuscolo su bioediliza e realizzazione centro civico Porretta Terme
3. opuscolo/scheda su tecnologie solari
4. opuscolo/scheda su tecnologie per edifici
5. opuscolo/scheda su risparmio energetico per imprese e commercio
6. opuscolo su gestione sostenibile boschi
7. opuscolo su riscaldamento a biomasse
8. DVD di presentazione “distretto sostenibile Appennino” (Le tecnologie possibili)
9. Pubblicazione rapporto ricerca su biomasse
10. CD-ROM con sistema gis per calcolo biomasse utilizzabili per fini energetici
11. CD-ROM con studio su sistema micro-mini eolico
12. Studio storico sugli impianti idroelettrici
13. Ecoimpianti. Le realizzazioni tecnologiche del progetto CISA. 2005-2006-2007
Inoltre il sito web contenente l’insieme degli studi e ricerche di CISA www.centrocisa.it
Per ogni informazione ci si può rivolgere al sito:
www.centrocisa.it
o scrivere alla mail:
[email protected]