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1 Sviluppo di una tecnologia di produzione energetica cogenerativa a piccola taglia tramite gassificazione di biomasse, anche di rifiuto, additivate con.

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

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

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

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

5 L'impianto sperimentale (1/3) Il processore è un gassificatore pirolitico di biomassa (Modello WB G15 Caema-Ankur) di tipodowndraft Il processore si compone macroscopicamente di tre elementi principali: zona di carico tramoggia reattore 5 Università degli Studi di Genova Facoltà di Ingegneria DIMSET-DIPTEM Prof. Ferruccio Pittaluga Savona 25/06/2008 Report finale. Pag.

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

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

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

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

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

11 Strumentazione di misura termocoppie Tersid Chromel/Alumel (K) modello MTS K-400 manometri digitali differenziali Digitron PM-20 misuratore di portata a ventola Testo 416 chiller a temperatura controllata ColeParmer Polystat EW micro gascromatografo Chrompack CP2002 ventilatore centrifugo a bocca tonda C.IM.I. LM-100-A 11 Università degli Studi di Genova Facoltà di Ingegneria DIMSET-DIPTEM Prof. Ferruccio Pittaluga Savona 25/06/2008 Report finale. Pag.

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

31 31 Università degli Studi di Genova Facoltà di Ingegneria DIMSET-DIPTEM Prof. Ferruccio Pittaluga Savona 25/06/2008 Report finale. Pag. Effetti delle operazioni di reintegro combustibile (1/2) Nel corso delle prove preliminari sono stati registrati gli effetti sulle temperature interne del sistema dovuti ai reintegri di combustibile. Le condizioni di prova sono state, in questo caso: Alimentazione con solo cippato di legna. Portata gas 20 m 3 /h Reintegri di 15 kg di combustibile alle ore e 15.25

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

45 Comparazione risultati – bilancio (1/2) 100% cippato70% cippato – 30% clean-coke 45 Università degli Studi di Genova Facoltà di Ingegneria DIMSET-DIPTEM Prof. Ferruccio Pittaluga Savona 25/06/2008 Report finale. Pag.

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

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

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

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

50 50 Università degli Studi di Genova Facoltà di Ingegneria DIMSET-DIPTEM Prof. Ferruccio Pittaluga Savona 25/06/2008 Report finale. Pag. La cogenerazione è la generazione contemporanea ed in cascata, a partire dalla fonte energetica primaria, di energia elettrica e termica. Presenta significativi vantaggi energetico-ambientali: Elementi di cogenerazione (1/4) risparmi di energia primaria pari mediamente valutabili al 20-30% riduzione delle emissioni climalteranti (in particolare CO2) connessi al risparmio di energia primaria minori perdite di distribuzione per il sistema elettrico nazionale (impianti di piccola taglia) sostituzione di modalità di fornitura di calore più inquinanti Flussi energetici:sistema convenzionale Flussi energetici:sistema cogenerativo

51 51 Università degli Studi di Genova Facoltà di Ingegneria DIMSET-DIPTEM Prof. Ferruccio Pittaluga Savona 25/06/2008 Report finale. Pag. Elementi di cogenerazione (2/4) Turbine a gasMotori alternativiTurbina a vaporeCiclo combinato gas- vapore Range di potenza standard 1 MW MW0.01 MW - 5 MW0.5 MW MW5 MW MW Rendimento elettrico (valori tipici) 30% - 35%27% - 42% 25% -35% Il valore più alto si ottiene in caso di sola produzione di elettricità 40% - 60% Il valore più alto si ottiene in caso di sola produzione di elettricità Rendimento complessivo impianto (rendimento elettrico e termico) 75% - 85% CombustibileMetano o combustibile gassoso Metano o combustibile gassoso, diesel o doppio combustibile (Diesel e gas) Qualsiasi combustibile, calore di recupero Come turbina a gas + turbina a vapore VantaggiRecupero termico ad alta temperatura, taglia piccola, alta potenza in volumi ridotti Alta flessibilità, possibilità di arresto giornaliero Permette il recupero del calore disperso dai processi industriali per produrre elettricità Elevato rendimento elettrico Sono disponibili applicazioni basate su diverse tecnologie cogenerative, in funzione della taglia cui è necessario fare riferimento:

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

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

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

55 55 Università degli Studi di Genova Facoltà di Ingegneria DIMSET-DIPTEM Prof. Ferruccio Pittaluga Savona 25/06/2008 Report finale. Pag. Cogenerazione: dimensionamento dellimpianto di captazione Caratteristiche scambiatore Superficie di scambio0.123 m 2 Fattore di sovradimensionamento48.6 % Coefficiente globale scambio8.45 kW/m 2 Perdite di carico corrente primaria0.13 mbar Perdite di carico corrente secondaria0.085 mbar Dati dimensionalli scambiatore H310 mm InH230 mm L200 mm InL69 mm P160 mm

56 56 Università degli Studi di Genova Facoltà di Ingegneria DIMSET-DIPTEM Prof. Ferruccio Pittaluga Savona 25/06/2008 Report finale. Pag. Cogenerazione: scambiatore acqua-acqua Corrente secondaria Fluidoacqua Portata massica0.18 kg/sDa dimensionamento progettuale Temperatura ingresso 15°C Da dimensionamento progettuale Temperatura uscita 35°C Da dimensionamento progettuale Potenza termico ceduta15 kWDa dati precedenti per calcolo Perdite di carico ammissibili0.4 mbarImposto in fase di progettazione Corrente primaria Fluidoacqua Portata massica0.25 kg/sDato di targa motore Temperatura ingresso 80°C Valore misurato in configurazione originale Temperatura uscita 65°C Valore misurato in configurazione originale Potenza termico ceduta15 kWDa dati precedenti per calcolo Perdite di carico ammissibili0.4 mbarImposto in fase di progettazione

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

58 58 Università degli Studi di Genova Facoltà di Ingegneria DIMSET-DIPTEM Prof. Ferruccio Pittaluga Savona 25/06/2008 Report finale. Pag. Cogenerazione: bilanci finali Condizione 100% cippatoCondizione 70% cippato – 30% coke Biomassa in: 13 kg/hMiscela in: 8,8 kg/h Biogas out: 26,6 kg/hBiogas out: 30,2 kg/h Scorie out: 1,1 kg/hScorie out: 1,3 kg/h P.c.i. biogas: 4024 kJ/mcP.c.i. biogas: 4389 kJ/mc Rendim. gassificazione: 45.2%Rendim. gassificazione: 65,7% Rendim. elettrico: 28% P elettrica out: 7,33 kWP elettrica out: 9,7 kW P elettrica ausiliari: 0,33 kW P elettrica netta out: 7 kWP elettrica netta out: 9,4 kW P termica out (recupero Q sensibile al radiatore): 14 kWP termica out (recupero Q sensibile al radiatore): 18 kW

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

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

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

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

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

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

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

66 66 Università degli Studi di Genova Facoltà di Ingegneria DIMSET-DIPTEM Prof. Ferruccio Pittaluga Savona 25/06/2008 Report finale. Pag.

67 67 Università degli Studi di Genova Facoltà di Ingegneria DIMSET-DIPTEM Prof. Ferruccio Pittaluga Savona 25/06/2008 Report finale. Pag.

68 68 Università degli Studi di Genova Facoltà di Ingegneria DIMSET-DIPTEM Prof. Ferruccio Pittaluga Savona 25/06/2008 Report finale. Pag.


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