Dipartimento di ingegneria meccanica e navale Università degli Studi di Trieste Produzione di energia da biomasse: utilizzo di impianti ORC e celle a combustibile R. Taccani Dipartimento di ingegneria meccanica e navale Università di Trieste 26 novembre 2010 Trieste

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

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

La cogenerazione “Biomass to Energy” con un gruppo ORC gas di scarico evaporatore turbina generatore elettrico rigeneratore recupero di calore olio diatermico condensatore biomassa MDM acqua U . T . Forno Circuito ad olio diatermico Gruppo ORC Utenza termica Oggetto dell’attività di ricerca

Vantaggi dei gruppi ORC cogenerativi Discreta efficienza (circa 17%) anche utilizzando sorgenti termiche a bassa temperatura, o di piccola potenza; La taglia ridotta consente di utilizzare la biomassa nei pressi del sito di produzione, riducendo i costi di trasporto ed il relativo impatto ambientale; I gruppi cogenerativi ORC possono essere facilmente integrati con altri impianti ad energia rinnovabile; La velocità di rotazione della turbina può essere ridotta, in modo da consentire l’accoppiamento diretto con il generatore; Lunga durata e ridotte esigenze di manutenzione del gruppo; Semplici modalità di avviamento e di regolazione del carico, consentono di soddisfare anche carichi termici variabili.

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

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

Dipartimento di Energetica Università degli Studi di Trieste POLO di PORDENONE Esempio semplificato Per prevedere gli effetti energetici + economici della realizzazione dell’impianto di cogenerazione, è essenziale: Andamento temporale dei consumi elettrici, Andamento temporale dei consumi termici (alle diverse T). Conoscere i dati energetici Costo dei combustibili, Costo dell’energia elettrica, Prezzo di cessione delle eccedenze elettriche, Costo di smaltimento dei combustibili residuali. Conoscere i dati economici

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

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

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

Conclusioni sull’esempio semplificato L’impianto con dissipatore brucerebbe circa 320.000 kg/anno di truciolo (contro una produzione ipotetica di circa 350.000 kg/anno); Il risparmio è di circa 150.000 €/anno sulla bolletta elettrica. Conoscendo: il costo di acquisizione del gruppo ORC; i costi per l’adeguamento dell’impianto (e del boiler); Valutando eventuali incentivi di legge per l’efficienza energetica o risparmi sui costi di smaltimento del truciolo; È possibile prevedere realisticamente il periodo di ritorno (o altre figure di merito) dell’investimento considerato. NB: grazie alla disponibilità del simulatore, anche incentivi (e penalità) che dipendono dal consuntivo annuale dell’energia (o delle emissioni) prodotte possono essere valutati realisticamente.

Produzione di energia da biogas: utilizzo di celle a combustibile

Biogas Composizione tipica: Materie prime: Il biogas è un combustibile ricavato dalla biodegrazione della sostanza organica in assenza di ossigeno. Composizione tipica: Materie prime: Liquami zootecnici Biomasse ottenute dalle colture energetiche Residui colturali Scarti di origine animale ed agroindustriale Fanghi degli impianti di depurazione delle acque civili

Cosa sono le celle a combustibile? Come nelle batterie “normali” viene prodotta elettricità (corrente continua) a basso voltaggio. Nelle batterie, per fare elettricità è necessario usare una sostanza contenuta all’interno della batteria stessa, nelle celle la sostanza che reagisce (il combustibile) può arrivare dall’esterno, (come nel motore dell’automobile). Non è quindi necessario “ricaricare” o sostituire il “generatore”

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

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

Il principio di funzionamento (Celle PEM) H2O H2 O2 H+ H2 O2 H2O H+ H2 O2 Combustibile (H2) Ossidante (O2) elettrodi elettrolita

Esempi di impianti commerciali UTC Power PureCell Model 400 Potenza elettrica: 400kW Combustibili: GN, Biogas Efficienza elettrica: 42% FuelCell Energy DFC 1500 Potenza elettrica: 1.4 MW Combustibili: GN, Biogas Efficienza elettrica: 47%

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

Obiettivi Analizzare le prestazioni e le emissioni conseguenti all’utilizzo di biodiesel su: un motore diesel industriale nn motore diesel common rail di piccola cilindrata

Risultati PARTICOLATO

Risultati Test su strada

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