Dipartimento di ingegneria meccanica e navaleUniversità degli Studi di Trieste

Produzione di energia da biomasse:utilizzo di impianti ORC e celle a

combustibile

R. Taccani

Dipartimento di ingegneria meccanica e navaleUniversità di Trieste

26 novembre 2010Trieste

Obiettivi della cogenerazione Obiettivi della cogenerazione con sistemi “Biomass to con sistemi “Biomass to Energy”Energy”

COGENERAZIONECOGENERAZIONE Produrre con lo stesso Produrre con lo stesso impianto (simultaneamente) impianto (simultaneamente) potenza elettrica E e termica potenza elettrica E e termica

QQ

Vantaggi GLOBALIVantaggi GLOBALI: : DIMINUZIONE del consumo di combustibiliDIMINUZIONE del consumo di combustibili

Riduzione delle emissioni inquinanti e di CO2Riduzione delle emissioni inquinanti e di CO2

Vantaggi LOCALIVantaggi LOCALI: : DIMINUZIONE del costo complessivo delle forniture E e QDIMINUZIONE del costo complessivo delle forniture E e Q

Riduzione del rischio di interruzione della fornitura Riduzione del rischio di interruzione della fornitura EE

++Biomass to Biomass to

EnergyEnergy

FOSSILIFOSSILI

Ulteriore riduzione delle emissioni di Ulteriore riduzione delle emissioni di CO2CO2

Riduzione del costo di approvvigionamento del Riduzione del costo di approvvigionamento del combustibilecombustibileRiduzione del costo di smaltimento dei residuiRiduzione del costo di smaltimento dei residui

Possibili alternative per la Possibili alternative per la cogenerazione “Biomass to Energy” cogenerazione “Biomass to Energy”

Gassificazione della biomassa + TG / MCI;Gassificazione della biomassa + TG / MCI; l’unità di gassificazione non può essere molto l’unità di gassificazione non può essere molto

piccola, a causa del processo di pulizia del gas,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 Generatore di vapore + ciclo Rankine a vapor d’acqua;d’acqua; la taglia della turbina a vapore non scende sotto la taglia della turbina a vapore non scende sotto ~~1 1

MW a causa di problemi nel disegno della MW a causa di problemi nel disegno della palettatura,palettatura,

il generatore di vapore pressurizzato, con il generatore di vapore pressurizzato, con surriscaldatore.surriscaldatore.

Combustore di biomassa + Motore Stirlig (comb. Combustore di biomassa + Motore Stirlig (comb. esterna);esterna); assenza di lubrificazione del cilindro,assenza di lubrificazione del cilindro, si deve realizzare uno scambiatore gas-gas molto si deve realizzare uno scambiatore gas-gas molto

compatto, in contrasto con le caratteristiche tipiche compatto, in contrasto con le caratteristiche tipiche dei prodotti di combustione della biomassa.dei prodotti di combustione della biomassa.

La cogenerazione “Biomass to La cogenerazione “Biomass to Energy” con un gruppo ORCEnergy” con un gruppo ORC

evaporatore

turbina

rigeneratore

condensatore

generatore elettrico

Oggetto dell’attività di ricercaOggetto dell’attività di ricerca

Utenza termicaGruppo ORCCircuito ad olio diatermicoForno

recupero di calore

biomassa

olio diatermico

acqua

gas di scarico

MDM

U.T.

Vantaggi dei gruppi ORC Vantaggi dei gruppi ORC cogenerativicogenerativi

Discreta efficienza (circa 17%) anche utilizzando Discreta efficienza (circa 17%) anche utilizzando sorgenti termiche a bassa temperatura, o di piccola sorgenti termiche a bassa temperatura, o di piccola potenzapotenza;;

La taglia ridotta consente di utilizzare la biomassa nei La taglia ridotta consente di utilizzare la biomassa nei pressi del sito di produzionepressi del sito di produzione, riducendo i costi di , riducendo i costi di trasporto ed il relativo impatto ambientaletrasporto ed il relativo impatto ambientale;;

I gruppi cogenerativi ORC possono essere facilmente I gruppi cogenerativi ORC possono essere facilmente integrati con altri impianti ad energia rinnovabile; integrati con altri impianti ad energia rinnovabile;

La velocità di rotazione della turbina può essere La velocità di rotazione della turbina può essere ridotta, in modo da consentire l’accoppiamento diretto ridotta, in modo da consentire l’accoppiamento diretto con il generatore;con il generatore;

Lunga durata e ridotte esigenze di manutenzione del Lunga durata e ridotte esigenze di manutenzione del gruppo;gruppo;

Semplici modalità di avviamento e di regolazione del Semplici modalità di avviamento e di regolazione del carico,carico, consentono di soddisfare anche carichi termici consentono di soddisfare anche carichi termici

variabili. variabili.

Vantaggi dei gruppi ORC Vantaggi dei gruppi ORC cogenerativicogenerativi Si situano in un campo operativo NON coperto dai Si situano in un campo operativo NON coperto dai

sistemi cogenerativi tradizionalmente più diffusi.sistemi cogenerativi tradizionalmente più diffusi.

ORCORC

Perchè simulare un impianto di Perchè simulare un impianto di cogenerazione (ORC)?cogenerazione (ORC)?

Per conoscere in anticipo gli effettiPer conoscere in anticipo gli effetti energetici + energetici + economici + ambientalieconomici + ambientali dell’impianto di dell’impianto di cogenerazione, nelle condizioni operative che si cogenerazione, nelle condizioni operative che si presenteranno in azienda.presenteranno in azienda. Sulla base dell’andamento temporale delle richieste E Sulla base dell’andamento temporale delle richieste E

e Qe Q E della strategia di gestione ipotizzata, si E della strategia di gestione ipotizzata, si

DETERMINANO: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 Le ore di funzionamento del gruppo ORC e delle

caldaie,caldaie, La temperatura e la portata dell’acqua calda prodotta La temperatura e la portata dell’acqua calda prodotta

dal gruppo cogenerativo……….dal gruppo cogenerativo……….

Esempio semplificatoEsempio semplificato

Dipartimento di EnergeticaUniversità degli Studi di Trieste

POLO di PORDENONE

Per prevedere gli effettiPer prevedere gli effetti energetici + economici energetici + economici della realizzazione dell’impianto di cogenerazione, della realizzazione dell’impianto di cogenerazione, è essenziale: è essenziale:

Conoscere Conoscere i dati i dati energeticienergetici

• Andamento temporale dei Andamento temporale dei consumi elettrici,consumi elettrici,

• Andamento temporale dei Andamento temporale dei consumi termici (alle diverse consumi termici (alle diverse T).T).

• Costo dei combustibili,Costo dei combustibili,

• Costo dell’energia elettrica,Costo dell’energia elettrica,

• Prezzo di cessione delle Prezzo di cessione delle eccedenze elettriche,eccedenze elettriche,

• Costo di smaltimento dei Costo di smaltimento dei combustibili residuali.combustibili residuali.

Conoscere Conoscere i dati i dati economicieconomici

Scelta del sistema di Scelta del sistema di cogenerazionecogenerazione

Dipartimento di EnergeticaUniversità 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

PREVISIONEPREVISIONE(Simulazione)(Simulazione)

CONFRONTOCONFRONTO(Ottimizzazione)(Ottimizzazione)

600 kWe600 kWe

ORCORC

Monoblocco Monoblocco + + (integrazion(integrazione)e)

A seguire il A seguire il carico carico termicotermico

Domanda termicaDomanda termica

Richiesta termica totale - inverno

0

500

1000

1500

2000

2500

3000

3500

4000

4500

1 3 5 7 9 11 13 15 17 19 21 23

orario

[kW

]

Richiesta termica totale - estate

0

500

1000

1500

2000

2500

3000

3500

4000

4500

1 3 5 7 9 11 13 15 17 19 21 23

orario

[kW

]

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

Domanda elettricaDomanda elettrica

Potenza elettrica richiesta - giorno invernale

0

200

400

600

800

1000

1200

1400

1600

1 3 5 7 9 11 13 15 17 19 21 23

orario

[kW

e]

Potenza elettrica richiesta - giorno estivo

0

200

400

600

800

1000

1200

1400

1600

1 3 5 7 9 11 13 15 17 19 21 23

orario

[kW

e]

• La domanda elettrica invernale è minore di quella estiva, La domanda elettrica invernale è minore di quella estiva, contrariamente a quello che accade con la domanda termica; contrariamente a quello che accade con la domanda termica;

• La non contemporaneità dei consumi termici ed elettrici deve La non contemporaneità dei consumi termici ed elettrici deve essere valutata attentamente, in quanto rischia di essere valutata attentamente, in quanto rischia di compromettere i vantaggi attesi dalla cogenerazione.compromettere i vantaggi attesi dalla cogenerazione.

Conclusioni sull’esempio Conclusioni sull’esempio semplificatosemplificato• L’impianto con dissipatore brucerebbe circa 320.000 kg/anno di L’impianto con dissipatore brucerebbe circa 320.000 kg/anno di

truciolo (contro una produzione ipotetica di circa 350.000 truciolo (contro una produzione ipotetica di circa 350.000 kg/anno); kg/anno);

• Il risparmio è di circa 150.000 €/anno sulla bolletta elettrica. Il risparmio è di circa 150.000 €/anno sulla bolletta elettrica.

• Conoscendo: il costo di acquisizione del gruppo ORC;Conoscendo: il costo di acquisizione del gruppo ORC; i costi per l’adeguamento dell’impianto (e del i costi per l’adeguamento dell’impianto (e del

boiler);boiler);• Valutando eventuali incentivi di legge per l’efficienza energetica Valutando eventuali incentivi di legge per l’efficienza energetica

o risparmi sui costi di smaltimento del truciolo; o risparmi sui costi di smaltimento del truciolo; • È possibile prevedere realisticamente il periodo di ritorno (o È possibile prevedere realisticamente il periodo di ritorno (o

altre figure di merito) dell’investimento considerato.altre figure di merito) dell’investimento considerato.

• NB: grazie alla disponibilità del simulatore, anche incentivi (e NB: grazie alla disponibilità del simulatore, anche incentivi (e penalità) che dipendono dal consuntivo annuale dell’energia (o penalità) che dipendono dal consuntivo annuale dell’energia (o delle emissioni) prodotte possono essere valutati delle emissioni) prodotte possono essere valutati realisticamente.realisticamente.

Produzione di energia da biogas:utilizzo di celle a combustibile

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.

Cosa sono le celle a combustibile?Come nelle batterie “normali” viene prodotta elettricità (corrente continua) a basso voltaggio.

Nelle batterie, per fare elettricità è necessario usare una sostanza contenuta all’interno della batteria stessa,

nelle celle la sostanza che reagisce (il combustibile) può arrivare dall’esterno, (come nel motore dell’automobile). Non è quindi necessario “ricaricare” o sostituire il “generatore”

Produzione elettricità

Sistemi convenzionali (per esempio Impianti a vapore o Turbogas)

Energia Chimica

(nel combustibile)

Calore LavoroElettricità

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

Combustibile (H2) Ossidante (O2)

H2

H2

H2

O2

O2

O2

H+

H+H2O

e-

elettrodi elettrolita

Il principio di funzionamento (Celle PEM)

H2O

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

RisultatiPARTICOLATO

0.E+00

1.E+07

2.E+07

3.E+07

4.E+07

5.E+07

6.E+07

7.E+07

8.E+07

1 10 100 1000

Dp [nm]

dN/d

logD

p [-

/cc]

Bus52 Diesel Fuel

Bus52 B25

600 rpm

0.E+00

1.E+07

2.E+07

3.E+07

1 10 100 1000

Dp [nm]

[N/c

c]Bus52 Diesel Fuel

Bus52 B25

600 rpm

RisultatiTest su strada

0

2

4

6

8

10

12

14

16

18

20

0 100 200 300 400 500 600 700 800time [s]

op

acit

y [%

]

B25Diesel Fuel

Grazie per l’attenzione!

Produzione di energia da biomasse:utilizzo di impianti ORC e celle a combustibile

R. Taccani

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