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Dipartimento di ingegneria meccanica e navale Università degli Studi di Trieste Produzione di energia da biomasse: utilizzo di impianti ORC e celle a combustibile.

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1 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

2 Obiettivi della cogenerazione con sistemi Biomass to Energy COGENERAZIONE Produrre con lo stesso impianto (simultaneamente) potenza elettrica E e termica Q Vantaggi GLOBALI: Vantaggi GLOBALI: DIMINUZIONE del consumo di combustibili Riduzione delle emissioni inquinanti e di CO2 Vantaggi LOCALI: Vantaggi LOCALI: DIMINUZIONE del costo complessivo delle forniture E e Q Riduzione del rischio di interruzione della fornitura E + Biomass to Energy FOSSILI Ulteriore riduzione delle emissioni di CO2 Riduzione del costo di approvvigionamento del combustibile Riduzione del costo di smaltimento dei residui

3 Possibili alternative per la cogenerazione Biomass to Energy Gassificazione della biomassa + TG / MCI; lunità di gassificazione non può essere molto piccola, a causa del processo di pulizia del gas, lunità di gassificazione non può essere molto piccola, a causa del processo di pulizia del gas, la velocità di rotazione della turbina è molto elevata. la velocità di rotazione della turbina è molto elevata. Generatore di vapore + ciclo Rankine a vapor dacqua; la taglia della turbina a vapore non scende sotto ~1 MW a causa di problemi nel disegno della palettatura, 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. il generatore di vapore pressurizzato, con surriscaldatore. Combustore di biomassa + Motore Stirlig (comb. esterna); assenza di lubrificazione del cilindro, 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. si deve realizzare uno scambiatore gas-gas molto compatto, in contrasto con le caratteristiche tipiche dei prodotti di combustione della biomassa.

4 La cogenerazione Biomass to Energy con un gruppo ORC evaporatoreturbina rigeneratore condensatore generatore elettrico Oggetto dellattività di ricerca Oggetto dellattività di ricerca Utenza termicaGruppo ORCCircuito ad olio diatermicoForno recupero di calore biomassa olio diatermico acqua gas di scarico MDM U.T.

5 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 laccoppiamento 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. consentono di soddisfare anche carichi termici variabili.

6 Vantaggi dei gruppi ORC cogenerativi Si situano in un campo operativo NON coperto dai sistemi cogenerativi tradizionalmente più diffusi. Si situano in un campo operativo NON coperto dai sistemi cogenerativi tradizionalmente più diffusi.ORC

7 Perchè simulare un impianto di cogenerazione (ORC)? Per conoscere in anticipo gli effetti energetici + economici + ambientali dellimpianto di cogenerazione, nelle condizioni operative che si presenteranno in azienda. Per conoscere in anticipo gli effetti energetici + economici + ambientali dellimpianto di cogenerazione, nelle condizioni operative che si presenteranno in azienda. Sulla base dellandamento temporale delle richieste E e Q Sulla base dellandamento temporale delle richieste E e Q E della strategia di gestione ipotizzata, si DETERMINANO: E della strategia di gestione ipotizzata, si DETERMINANO: La produzione elettrica nelle diverse ore del giorno, La produzione elettrica nelle diverse ore del giorno, La quantità di biomassa consumata, La quantità di biomassa consumata, Le ore di funzionamento del gruppo ORC e delle caldaie, Le ore di funzionamento del gruppo ORC e delle caldaie, La temperatura e la portata dellacqua calda prodotta dal gruppo cogenerativo………. La temperatura e la portata dellacqua calda prodotta dal gruppo cogenerativo……….

8 Esempio semplificato Dipartimento di Energetica Università degli Studi di Trieste POLO di PORDENONE Per prevedere gli effetti energetici + economici della realizzazione dellimpianto di cogenerazione, è essenziale: Conoscere Conoscere i dati energetici Andamento temporale dei consumi elettrici,Andamento temporale dei consumi elettrici, Andamento temporale dei consumi termici (alle diverse T).Andamento temporale dei consumi termici (alle diverse T). Costo dei combustibili,Costo dei combustibili, Costo dellenergia elettrica,Costo dellenergia elettrica, Prezzo di cessione delle eccedenze elettriche,Prezzo di cessione delle eccedenze elettriche, Costo di smaltimento dei combustibili residuali.Costo di smaltimento dei combustibili residuali. Conoscere Conoscere i dati economici

9 Scelta del sistema di cogenerazione Dipartimento di Energetica Università degli Studi di Trieste POLO di PORDENONE SCELTA DELLA TAGLIASCELTA DELLA TAGLIA SCELTA DELLA TECNOLOGIASCELTA DELLA TECNOLOGIA SCELTA DEI COMPONENTISCELTA DEI COMPONENTI SCELTA DELLA GESTIONESCELTA DELLA GESTIONE PREVISIONE(Simulazione) CONFRONTO(Ottimizzazione) 600 kWe ORC Monoblocco + (integrazione) A seguire il carico termico

10 Domanda termica La domanda termica invernale è molto maggiore di quella estiva; questo è dovuto allutilizzo del calore principalmente per il riscaldamento degli ambienti di lavoro, piuttosto che per esigenze dei processi tecnologici.La domanda termica invernale è molto maggiore di quella estiva; questo è dovuto allutilizzo del calore principalmente per il riscaldamento degli ambienti di lavoro, piuttosto che per esigenze dei processi tecnologici.

11 Domanda elettrica La domanda elettrica invernale è minore di quella estiva, contrariamente a quello che accade con la domanda termica;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.La non contemporaneità dei consumi termici ed elettrici deve essere valutata attentamente, in quanto rischia di compromettere i vantaggi attesi dalla cogenerazione.

12 Conclusioni sullesempio semplificato Limpianto con dissipatore brucerebbe circa kg/anno di truciolo (contro una produzione ipotetica di circa kg/anno);Limpianto con dissipatore brucerebbe circa kg/anno di truciolo (contro una produzione ipotetica di circa kg/anno); Il risparmio è di circa /anno sulla bolletta elettrica.Il risparmio è di circa /anno sulla bolletta elettrica. Conoscendo: il costo di acquisizione del gruppo ORC;Conoscendo: il costo di acquisizione del gruppo ORC; i costi per ladeguamento dellimpianto (e del boiler); i costi per ladeguamento dellimpianto (e del boiler); Valutando eventuali incentivi di legge per lefficienza energetica o risparmi sui costi di smaltimento del truciolo;Valutando eventuali incentivi di legge per lefficienza energetica o risparmi sui costi di smaltimento del truciolo; È possibile prevedere realisticamente il periodo di ritorno (o altre figure di merito) dellinvestimento considerato.È possibile prevedere realisticamente il periodo di ritorno (o altre figure di merito) dellinvestimento considerato. NB: grazie alla disponibilità del simulatore, anche incentivi (e penalità) che dipendono dal consuntivo annuale dellenergia (o delle emissioni) prodotte possono essere valutati realisticamente.NB: grazie alla disponibilità del simulatore, anche incentivi (e penalità) che dipendono dal consuntivo annuale dellenergia (o delle emissioni) prodotte possono essere valutati realisticamente.

13 Produzione di energia da biogas: utilizzo di celle a combustibile

14 Biogas 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 Il biogas è un combustibile ricavato dalla biodegrazione della sostanza organica in assenza di ossigeno.

15 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 allinterno della batteria stessa, nelle celle la sostanza che reagisce (il combustibile) può arrivare dallesterno, (come nel motore dellautomobile). Non è quindi necessario ricaricare o sostituire il generatore

16 Produzione elettricità Sistemi convenzionali (per esempio Impianti a vapore o Turbogas) Energia Chimica (nel combustibile) CaloreLavoro Elettricità Conversione diretta – Celle a combustibile Energia Chimica (nel combustibile) Elettricità

17 Vantaggi Una produzione diretta di energia elettrica permette di conseguire degli importanti vantaggi in termini di: Efficienza di conversione Impatto ambientale Portabilità/Affidabilità/Flessibilità

18 Combustibile (H 2 ) Ossidante (O 2 ) H2H2 H2H2 H2H2 O2O2 O2O2 O2O2 H+H+ H+H+ H2OH2O e-e- elettrodi elettrolita Il principio di funzionamento (Celle PEM) H2OH2O

19 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%

20 Analisi delle prestazioni e delle emissioni di veicoli alimentati a combustibili di origine vegetale

21 Obiettivi Analizzare le prestazioni e le emissioni conseguenti allutilizzo di biodiesel su: -un motore diesel industriale -nn motore diesel common rail di piccola cilindrata

22 Risultati PARTICOLATO

23 Risultati Test su strada

24 Grazie per lattenzione! Produzione di energia da biomasse: utilizzo di impianti ORC e celle a combustibile R. Taccani Dipartimento di ingegneria meccanica e navale Università di Trieste


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