Produzione di energia da biomasse: utilizzo di impianti ORC e celle a combustibile R. Taccani Dipartimento di ingegneria meccanica e navale Universit

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Produzione di energia da biomasseutilizzo di
impianti ORC e celle a combustibileR.
TaccaniDipartimento di ingegneria meccanica e
navaleUniversità di Trieste
Dipartimento di ingegneria meccanica e
navale Università degli Studi di Trieste
26 novembre 2010Trieste
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Obiettivi della cogenerazione con sistemi
Biomass to Energy
COGENERAZIONE

• 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
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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,
• 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,
• 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.

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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
.
Utenza termica
Gruppo ORC
Circuito ad olio diatermico
Forno
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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.

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Vantaggi dei gruppi ORC cogenerativi

• Si situano in un campo operativo NON coperto dai
  sistemi cogenerativi tradizionalmente più diffusi.

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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.

• Sulla base dellandamento 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 dellacqua calda
  prodotta dal gruppo cogenerativo.

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Esempio semplificato
Per prevedere gli effetti energetici economici
della realizzazione dellimpianto 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 dellenergia elettrica,
• Prezzo di cessione delle eccedenze elettriche,
• Costo di smaltimento dei combustibili residuali.

• Conoscere
• i dati economici

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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)
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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.

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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.

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Conclusioni sullesempio semplificato

• Limpianto 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 ladeguamento dellimpianto (e
  del boiler)
• 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.
• NB grazie alla disponibilità del simulatore,
  anche incentivi (e penalità) che dipendono dal
  consuntivo annuale dellenergia (o delle
  emissioni) prodotte possono essere valutati
  realisticamente.

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• Produzione di energia da biogasutilizzo di
  celle a combustibile

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Biogas
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

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Cosa sono le celle a combustibile?

• Come nelle batterie normali viene prodotta
  elettricità (corrente continua) a basso
  voltaggio.

nelle celle la sostanza che reagisce (il
combustibile) può arrivare dallesterno, (come
nel motore dellautomobile). Non è quindi
necessario ricaricare o sostituire il
generatore
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Produzione elettricità
Sistemi convenzionali (per esempio Impianti a
vapore o Turbogas)
Elettricità
Energia Chimica (nel combustibile)
Calore
Lavoro
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Vantaggi

• Una produzione diretta di energia elettrica
  permette di conseguire degli importanti vantaggi
  in termini di

• Efficienza di conversione

• Impatto ambientale

• Portabilità/Affidabilità/Flessibilità

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Il principio di funzionamento (Celle PEM)
e-
H2O
H2
O2
H
H2
O2
H2O
H
H2
O2
Combustibile (H2)
Ossidante (O2)
elettrodi
elettrolita
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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
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Analisi delle prestazioni e delle emissioni di
veicoli alimentati a combustibili di origine
vegetale
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Obiettivi

• Analizzare le prestazioni e le emissioni
  conseguenti allutilizzo di biodiesel su
• un motore diesel industriale
• nn motore diesel common rail di piccola
  cilindrata

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Risultati
PARTICOLATO
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Risultati
Test su strada
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Grazie per lattenzione! Produzione di energia
da biomasseutilizzo di impianti ORC e celle a
combustibileR. TaccaniDipartimento di
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Trieste