Dispensa del corso di “SISTEMI ENERGETICI” Argomento: Sistemi Energetici (parte 3.2)

Ferrara: progetto sulla produzione di biomasse per l’energia.

Produzione di energia da oli vegetali con microturbina a gas.
Realizzazione di un impianto pilota
(coltivazione

– spremitura olio – microturbina).

Colture dedicate

Microturbina CHP

Olio vegetale

50 kWe

2500 l/h
@ 50 °C

MTG ad olio vegetale

VANTAGGI MTG



ridotte emissioni di NOx e CO

(<10 ppm @ 15% O2)



ingombri e pesi contenuti



bassa rumorosità e vibrazioni



manutenzione ridotta (ogni 10.000 ore)



elevata vita utile (80.000 ore)

SVANTAGGI MTG



tecnologia emergente



costo specifico elevato



rendimenti elettrici inferiori



bassa temperatura fumi (280 °C)

MTG vs MCI



Rumore

70-80 dB(A)@1m



Intervallo di manutenzione

Attuale

→ 8 000 h

Target

→ 11 000 h



Costi di manutenzione

€/MWh

0.20

0.25

0.30

0.35

0.40

0.45

100

200

300

400

500

600

700

800

900

1000 1100

Taglia [kW elettrici]

to e

ric

MCI

MTG

MTG vs MCI

0.20

0.25

0.30

0.35

0.40

0.45

100

1000

10000

Taglia [kW elettrici]

to e

ric

MCI

MTG

MTG vs MCI

100

ndime

nto

ele

rico

del

nomina

le)

Carico (% del nominale)

MTG

MCI

MTG vs MCI

100

110

Pel-MTG



el-MTG

Pel-MCI



el-MCI

% del

nom

inale

Temperatura ambiente (°C)

@15%O

CO@15%O

MTG

M.C.I.

20÷40 mg/Nm

50÷650 mg/Nm

10÷50 mg/Nm

300÷500 mg/Nm

MTG

M.C.I.



Emissioni ridotte:

fattore 10/100 rispetto ad un MCI

MTG vs MCI

100

200

300

400

500

600

100

200

300

400

500

600

700

800

900

1000 1100

Taglia [kW elettrici]

sion

i NO

x [

g/k

]

MCI

MTG

Testo Unico Ambientale (DLGS 152 3/4/2006) - Limiti MCI

1/2 TA Luft - Limiti MCI

1/2 TA Luft - Limiti MTG

(Testo Unico Ambientale - Limiti TG: 1346 mg/kWh comb)

562

281

224

MTG vs MCI

200

400

600

800

1000

1200

100

200

300

400

500

600

700

800

900

1000 1100

Taglia [kW elettrici]

sion

i CO

[

g/k

]

MCI

MTG

Testo Unico Ambientale (DLGS 152 3/4/2006) - Limiti MCI

1/2 TA Luft - Limiti MCI

Testo Unico Ambientale e 1/2 TA Luft - Limiti MTG

730

337

299

MTG vs MCI



Motori alternativi a combustione interna (MCI)



Turbine a Gas (TG) e Micro Turbine a Gas (MTG)

Tecnologie CHP a combustione interna



Turbine a Vapore (TV)



Motori Alternativi a Vapore (MAV)



Cicli Rankine a fluido Organico (ORC)



MTG a combustione esterna (EFMGT)



Motori Stirling

Tecnologie CHP a combustione esterna

Consolidate

In fase di

consolidamento

Le tecnologie



combustore

ha un rendimento termico superiore al 90%. E’ prevista la

presenza di un focolaio a griglia fissa per trattare sia cippato fine o pellet
sia materiale legnoso molto eterogeneo.



L’

alimentazione dell’aria primaria

è regolata su 3 livelli tramite serrande

ad alette contrapposte azionate da un comando proporzionale.



sistema di alimentazione

della caldaia avviene tramite una coclea. Il

materiale viene poi trasferito ad un caricatore a vite senza fine che ha il
compito di introdurre il materiale in caldaia.

Sistema Power Tep - EPS



Potenza elettrica: 80 kW



Potenza termica caldaia: 500 kW



Potenza termica scaricata: 300 kW



Consumo orario biomassa secca: 120 - 150 kg/h



Rendimento elettrico: 15 %

Sistema Power Tep - EPS



Il sistema del tutto analogo al precedente

Sistema Turbomass

– Sib Siber



Potenza elettrica: 80 kW



Potenza termica caldaia: 450 kWt



Potenza termica scaricata: 155 kW



Rendimento elettrico: 18 %

caldaia a biomassa

ha lo scopo di generare il calore da trasferire

all’aria di processo della microturbina mediante lo scambiatore ad alte
prestazioni aria/fumi. Il combustore è del tipo a coclea sottoalimentato ed è
appositamente progettato e realizzato allo scopo di utilizzare cippato, pellet,
mais, o altri tipi di biomassa solida con contenuto di umidità fino al 35 % sul
totale. La potenza termica al focolare è di circa 450 kW ed il rendimento
termico è superiore al 90%.

scambiatore di calore

di caldaia avente la funzione di scambio termico

tra i fumi di caldaia e

l’aria di processo della turbina, è alloggiato all’interno

della struttura del combustore.

Sistema Turbomass

– Sib Siber



Consumo orario biomassa: 100-150 kg/h
(in funzione dell’umidità)



Potenza elettrica: 75 kW



Potenza termica caldaia: 450 kWt



Potenza termica utile: 300 kW



Potenza frigorifera utile: 100 kW



Rendimento elettrico: 16 %

BIC Lazio



Sistema trigenerativo per alimentare l’incubatore di impresa presso
BICLAZIO (Business Innovation Centre) a Colleferro (Roma)



Verde comunale, sfalci boschivi dalla raccolta di municipalizzate e
conferite da ditte private



Motori alternativi a combustione interna (MCI)



Turbine a Gas (TG) e Micro Turbine a Gas (MTG)

Tecnologie CHP a combustione interna



Turbine a Vapore (TV)



Motori Alternativi a Vapore (MAV)



Cicli Rankine a fluido Organico (ORC)



MTG a combustione esterna (EFMGT)



Motori Stirling

Tecnologie CHP a combustione esterna

Consolidate

In fase di

consolidamento

Le tecnologie

Impianti a vapore d'acqua

L’impianto è costituito da una pompa, una caldaia, una turbina ed un
condensatore e utilizza come fluido operatore acqua.

Il ciclo a vapore è molto flessibile riguardo alle fonti utilizzabili per
produrre energia in quanto le diverse tipologie di caldaie (a griglia, letto
fluido, a polverino, ecc.) permettono

l’impiego di gas naturale, olii,

carbone, biomasse, rifiuti solidi urbani (termovalorizzatori), etc.

Le taglie degli impianti vanno
da alcuni MW fino ad oltre il
GW con più turbine in parallelo.
Il rendimento elettrico aumenta
con l’incrementare della taglia
poiché si possono utilizzare
variazioni impiantistiche più
complesse. Per impianti di
grossa taglia il rendimento si
aggira attorno al 40%.



Gli impianti a vapore hanno un rendimento elettrico in assetto
cogenerativo che si attesta nel range 15-30 % e un rendimento
termico che può arrivare al 60 %.



L’energia termica è messa a disposizione sotto forma di vapore a
pressioni dell’ordine di decine di bar.



E’ possibile impiegare qualsiasi tipo di combustibile dotandosi
dell’apposito generatore di vapore.



L’elevato costo di questi impianti e il basso indice elettrico li
rende adatti ad applicazioni in ciclo combinato, generando il
vapore mediante recupero termico da un motore primo (turbine a
gas o motori endotermici alternativi), o ad applicazioni con
combustibili solidi (non utilizzabili in turbine a gas o motori a
combustione interna).

Impianti a vapore d'acqua



I cicli a vapore convenzionali necessitano di elevate potenze per poter
essere applicabili, soprattutto a causa della presenza della turbina a
vapore, che limita le potenze inferiormente.



Per taglie sotto i 2 MW, si possono utilizzare

motori alternativi a

vapore (MAV).

Motori a vapore



Funzionano con valori di ammissione di p, T
piuttosto limitati in accordo con la possibilità di
alimentazione da generatori a tubi di fumo
capaci di surriscaldamento.



Sono in commercio motori con
pressione/temperatura di ammissione p

= 28

bar e T

=350 °C (vapore surriscaldato) con

pressione di scarico p

= 1.5 bar e T

= 110 °C.



In piccoli impianti il rendimento di conversione
elettrica raggiunge



= 6 - 10 % nella versione

monostadio e 12 - 20 % nella versione
polistadio

Motori a vapore - Spilling



Uso combinato solare a concentrazione e biomasse



Espansori a vapore per microgenerazione

- buon comportamento fuori-progetto, quindi adatto alla variabilità

tipica dell’alimentazione solare;

- condizioni allo scarico adatte ad utenza tri-generativa

/ THERMAL USER

Campo solare:

500

2000 m²

Potenza caldaia:

1 MW

Potenza motore:

200 kW

Energia da solare:

1 GWh/anno

Producibilità dei collettori per m

470 kWh/m

Energia da biomassa:

7,6 GWh/anno

Energia convertita:

1,4 GWh/anno

Temperatura acqua di raffreddamento:

100 °C

Emissioni evitate (solare):

750 t CO

/anno

Motori a vapore - Spilling



Uso combinato solare a concentrazione e biomasse



Espansori a vapore per microgenerazione

- buon comportamento fuori-progetto, quindi adatto alla variabilità

tipica dell’alimentazione solare;

- condizioni allo scarico adatte ad utenza tri-generativa



Motori alternativi a combustione interna (MCI)



Turbine a Gas (TG) e Micro Turbine a Gas (MTG)

Tecnologie CHP a combustione interna



Turbine a Vapore (TV)



Motori Alternativi a Vapore (MAV)



Cicli Rankine a fluido Organico (ORC)



MTG a combustione esterna (EFMGT)



Motori Stirling

Tecnologie CHP a combustione esterna

Consolidate

In fase di

consolidamento

Le tecnologie



Basati sul ciclo a vapore (ciclo Rankine)



Tecnologia consolidata



Il calore viene introdotto per combustione esterna in una caldaia
e trasferito al fluido di lavoro tramite uno scambiatore (possibilità
di utilizzare combustibili di natura diversa)



Possibilità di utilizzare il

calore scaricato

da MTG o MCI

(micro-cicli combinati gas-vapore)

Organic Rankine Cycle (ORC)

5is

250

300

350

400

450

500

550

600

650

2.0

2.5

3.0

3.5

4.0

4.5

5.0

emperatura

[K]

Entropia [kJ/(kg K)]

2is ≈ 2

Organic Rankine Cycle (ORC)

5is

250

300

350

400

450

500

550

600

650

2.0

2.5

3.0

3.5

4.0

4.5

5.0

emperatura

[K]

Entropia [kJ/(kg K)]

2is ≈ 2

Vantaggi del fluido organico rispetto al vapor

d’acqua



Possibilità di sfruttare sorgenti di calore a bassa temperatura (100



400 °C)



Basse pressioni di vaporizzazione, anche per condizioni prossime a quelle
critiche



Modesti salti entalpici da sfruttare ed elevati pesi molecolari del fluido di
lavoro, con conseguente possibilità di utilizzo di turbine con basso numero
di stadi (anche uno solo) e dalle velocità di rotazione ridotte (accoppiamento
diretto al generatore elettrico)



Tempi di avviamento rapidi

Organic Rankine Cycle (ORC)

Dispensa del corso di “SISTEMI ENERGETICI” Argomento: Sistemi Energetici (parte 3.2) - 3