CLIMA SAVE GENERATION SET

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1 CLIMA SAVE GENERATION SET Progetto di ricerca per lo sviluppo di un sistema pilota di produzione di energia elettrica alimentato a biomassa liquida IL PROGETTO Attività cofinanziata dal Ministero dell Ambiente e della Tutela del Territorio e del Mare attraverso il Bando per il finanziamento di progetti di ricerca finalizzati ad interventi di efficienza energetica e all utilizzo delle fonti di energia rinnovabile in aree urbane. Il Progetto CLIMA SAVE GENERATION SET si inquadra nell ambito delle iniziative in materia di utilizzo di fonti nuove e rinnovabili e in materia di efficientemento ambientale ed energetico. Prevede la realizzazione e il monitoraggio delle prestazioni ambientali ed energetiche di un gruppo di cogenerazione alimentato a biomassa liquida (olio vegetale) di potenza pari a circa 120kWe sottoposto a micro-emulsione LA COGENERAZIONE attraverso un apposito dispositivo. L'utilizzo dell'olio vegetale, principalmente se prodotto dalla lavorazione di semi oleosi nazionali e/o europei derivanti da colture dedicate che possono essere concentrate anche su terreni non utilizzabili e/o utilizzati a fini alimentari, oltre ad avere una importante caratteristica di sostenibilità può diventare una ulteriore opportunità per il settore degli operatori agricoli. L applicazione di tecnologie per l emulsione dei combustibili tradizionali come l ATZ 1 e il BTZ 2 con acqua ha trovato sempre maggiore applicazioni negli ultimi anni. Per quanto riguarda l olio vegetale, l applicazione di tecnologie di emulsione potrebbe arrecare anche maggiori vantaggi rispetto a quelli ottenuti per i combustibili tradizionali, ma studi di settore a riguardo sono ancora molto poco diffusi. 1 ATZ (alto tenore di zolfo) con percentuale di zolfo oltre l'1%. Rispetto ai tradizionali sistemi di produzione di calore ed energia elettrica, la cogenerazione consente il raggiungimento di una maggiore efficienza energetica globale; infatti, l impianto è in grado di recuperare il calore disperso nel corso dei vari processi (che nei sistemi tradizionali viene disperso) e di riutilizzarlo per produrre energia. Pertanto, a parità di energie utili prodotte, la produzione combinata di energia elettrica e termica consente un minor consumo di combustibile, e conseguentemente anche di emissioni in atmosfera, massimizzando inoltre lo sfruttamento delle risorse immesse. 2 BTZ (basso tenore di zolfo) con una percentuale al di sotto dell'1%.

2 I vantaggi ambientali di tale tecnologia sono notevoli: con l utilizzo della emulsione del combustibile vengono notevolmente ridotti i valori delle emissioni inquinanti (NOx, SOx, CO, polveri) rispetto al fluido combustibile tal quale, riducendo o rendendo inutile l utilizzo di dispositivi di catalisi dei fumi. Il miglior rendimento di combustione ottenuto conduce ad un minor consumo di combustibile. IL SISTEMA DI MONITORAGGIO Al fine di monitorare ed elaborare in maniera integrata le grandezze energetiche (rendimenti, parametri elettrici e termici in ingresso ed in uscita dal sistema), è stato sviluppato un sistema, ENERGY METER, che consiste in un dispositivo realizzato attraverso la combinazione di una serie di strumentazioni in campo ed un personal computer, interconnessi tra di loro mediante bus di comunicazione. Il sistema così realizzato è in grado di acquisire i dati provenienti dal cogeneratore quali temperature, pressioni, portate ed energie e tramite tali dati eseguire i calcoli di rendimento energetico del sistema di cogenerazione. Il software di gestione è stato realizzato in un ambiente di sviluppo di tipo grafico il quale tramite pulsanti e strumenti virtuali su monitor consentirà all operatore l utilizzo di tipo intuitivo del sistema e, tramite i dati e le successive elaborazioni degli stessi, sarà possibile compiere una dettagliata analisi e valutazione del sistema di cogenerazione così realizzato.

3 Valore ambientale dell iniziativa Il combustibile utilizzato per alimentare il gruppo e sul quale viene applicata la sperimentazione della microemulsione, rientra nell elenco dei combustibili liquidi di cui all allegato X della parte V del D.Lgs. 3 aprile 2006, n. 152, classificato quindi come fonte energetica rinnovabile. Si concretizza attraverso l attuazione di un recupero energetico dall'olio vegetale. L'introduzione nel sistema energetico nazionale di nuovi impianti di produzione di energia elettrica e termica basati sull'impiego di biomasse permette di evitare combustibili fossili tradizionali e minimizzare le emissioni. La combustione di un olio vegetale raffinato, consente di contribuire in maniera significativa alla riduzione delle emissioni di gas ad effetto serra, in particolare CO 2 (le quantità di emissioni durante la combustione per la generazione di energia sono le stesse sintetizzate in precedenza dalla sostanza organica nel processo di crescita) favorendo il rispetto da parte del nostro Paese degli accordi sottoscritti dall'unione Europea in campo internazionale. L'impianto in oggetto si colloca quindi all'interno di tali politiche energeticoambientali, consentendo la realizzazione di un nuovo sito pilota di generazione energetica da fonti rinnovabili, indispensabile per affrontare e risolvere su scala più vasta i problemi derivati dalla crescita della domanda energetica e quindi per garantire la sicurezza di approvvigionamento e lo sviluppo socioeconomico sostenibile del territorio. Inoltre lo studio potrà fornire elementi di confronto per la realizzazione di impianti di taglia medio/piccola con recupero energetico da olio vegetale, che sarà possibile ubicare in adiacenza ai siti di utilizzo, contribuendo ad evitare la realizzazione di nuovi impianti convenzionali di grande taglia ed alle conseguenti perdite di trasporto e distribuzione dell'energia, fornendo un forte vantaggio sia per l'ambiente che per l uomo.

4 L IMPIANTO PILOTA L impianto pilota realizzato consiste di un generatore elettrico azionato da un motore diesel esercito, durante le fasi di analisi previste dal progetto, alla potenza di circa 120 kwe. Il gruppo elettrogeno, con motore endotermico a ciclo diesel Marca SCANIA modello DC09, è stato alloggiato all'interno di un box insonorizzato, la realizzazione in volumi contenuti e con la formula Package rappresenta uno dei punti di forza del sistema ed è munito di tutte le apparecchiature necessarie per consentire l utilizzazione del gruppo in assetto cogenerativo, ossia con la possibilità di produrre energia elettrica e termica. Il motore è alimentato attraverso un serbatoio di alimentazione contenente l'olio vegetale. Altre apparecchiature principali che costituiscono l impianto di cogenerazione sono: 1. un sistema di stoccaggio del combustibile composto dal serbatoio del gasolio e dai serbatoi riscaldati per l olio vegetale, alimentazione e micro-emulsione dell olio vegetale; 2. un impianto per il recupero energetico del calore con produzione di acqua calda;

5 3. una linea fumi per lo scarico in atmosfera con sistema di analisi dei gas di scarico con monitoraggio in continuo; 4. impianti ausiliari di servizio; 5. sistema elettrico di potenza per la produzione di energia elettrica; 6. sistema di misura per il monitoraggio dell energia elettrica e termica ai fini della verifica e del calcolo del rispetto dei parametri di Cogenerazione e Cogenerazione ad Alto Rendimento fissati dalla delibera AEEG 42/02 e dal DM 5 settembre 2011, tramite l acquisitore Energy Meter.

6 FUNZIONAMENTO DELL IMPIANTO PILOTA E DATI DI PRODUZIONE A conclusione della prima fase di progettazione preliminare, sono state individuate le caratteristiche principali dell impianto pilota. Si è scelto di utilizzare un gruppo elettrogeno marca SCANIA modello DC09 72A/02-11 matr , in grado di produrre una potenza elettrica pari a circa 120 kw. Il motivo della scelta della taglia e tipologia di motore è stato dettato dai seguenti fattori: 1. l applicazione del sistema di micro-emulsione dell olio vegetale rappresenta una innovazione se applicata a motori di piccola taglia; 2. la facile replicabilità del progetto può trovare applicazione in molte realtà medio-piccole e diffuse. Il motore, completo del cabinato di contenimento per l abbattimento delle emissioni sonore da esso prodotto, il sistema di alimentazione del combustibile, il quadro elettrico di comando e gestione, i serbatoi di stoccaggio del combustibile e altri componenti dell impianto sono stati pre-assemblati presso le officine dei vari Partner e successivamente trasportati ed assemblati definitivamente presso l officina Almacis di Chieti Scalo, sito prescelto per la realizzazione dell impianto. Applicazioni I sistemi di cogenerazione trovano applicazione in siti in cui è necessario l apporto contemporaneo di energia elettrica ed energia termica: il dimensionamento dell impianto necessario a soddisfare i fabbisogni del sito viene effettuato sulla base dei fabbisogni termici valutati in seguito ad una attenta analisi preliminare di fattibilità tecnico-economica. La taglia del motore scelto ed il formato Package realizzato permettono notevoli vantaggi sia a livello applicativo, perché facilitano il trasporto, l installazione, la manutenzione e/o completa sostituzione in caso di danneggiamento, sia a livello autorizzativo, in quanto le norme attualmente vigenti tendono ad agevolare l istallazione di motori di piccola taglia. L impianto oggetto di studio del presente progetto di ricerca trova ottima applicazione nei siti che presentano un fabbisogno termico di circa 100/150KWh termici, quindi medi condomini residenziali, nei centri sportivi, in cliniche o presidi ospedalieri, nei piccoli centri commerciali, nella piccola industria. Resta inteso che i risultati che si otterranno nell ambito della presente ricerca, e quindi le scelte che porteranno alla definizione dell impianto dal punto di vista tecnico progettuale, saranno applicabili anche a motori di taglia diversa da quella scelta, che abbiano comunque gli stessi principi di funzionamento; inoltre, anche il formato package potrà essere replicato con motori di diversa taglia, naturalmente rispettando i principi su cui si basa questo formato, ovvero i vantaggi già evidenziati. A livello normativo le agevolazioni possono variare in funzione della taglia scelta.

7 Durante il funzionamento dell impianto e dunque durante tutta la fase di sperimentazione e analisi dei gas di scarico, sul sistema di espulsione dei fumi del gruppo è installato un sistema di monitoraggio in continuo che rileva e registra le grandezze fondamentali da monitorare per la verifica dei parametri oggetto della ricerca; le analisi sono state effettuate variando le caratteristiche del combustibile, variando la tipologia di emulsione, variando le percentuali di emulsione, variando i settaggi del motore. Il sistema di alimentazione del motore consiste in un serbatoio di stoccaggio contenente l'olio vegetale mantenuto ad una adeguata temperatura in modo da favorire le necessarie operazioni di pompaggio. L'olio vegetale inviato al motore diesel prima della iniezione nelle camere di combustione subisce un trattamento di filtrazione e di microemulsione con acqua, in diverse percentuali, per favorirne la combustione e diminuire l immissione di inquinanti in atmosfera. Il motore diesel installato è accoppiato ad un generatore elettrico in grado di sviluppare una potenza elettrica di 120 kwe: essendo un impianto pilota vengono simulate delle utenze attraverso l installazione di opportune resistenze realizzate appositamente. Durante la fase di esercizio e sperimentazione, il motore produce energia termica che è per una piccola parte utilizzata per riscaldare il combustibile vegetale mentre l eccedenza, che rappresenta la maggior parte dell energia termica producibile dall impianto, viene smaltita attraverso dei dissipatori che simulano le possibili utenze. L impianto come realizzato non è connesso ad alcuna utenza né elettrica né termica. Il recupero dell energia termica disponibile dal gruppo elettrogeno viene effettuato attraverso uno scambiatore di calore a piastre (acqua/acqua) per la produzione di acqua calda dal raffreddamento camice motore, olio di lubrificazione ed attraverso uno scambiatore di calore a fascio tubiero (fumi/acqua) per la produzione di acqua calda dai fumi derivanti dalla combustione, per un complessivo di circa 90 kw. IL DIPARTIMENTO DI INGEGNERIA NAVALE DELL UNIVERSITA DI NAPOLI FEDERICO II in collaborazione con l Istituto Motori del CNR di Napoli hanno svolto la fase di pianificazione e progettazione delle analisi degli inquinanti oggetto di studio, delle metodiche di monitoraggio che sono state utilizzate durante il periodo di sperimentazione, della campagna di misura in continuo e delle postazioni di campionamento dei fumi (per analisi chimiche ex situ e per monitoraggio attivo in situ).

8 Dal raffreddamento del motore e dall utilizzo della potenza termica derivante dai fumi di scarico del motore si possono rendere disponibili, al netto dell acqua utilizzata per il riscaldamento dell olio combustibile stimabili intorno ai 5 KWt, fino a l/h di acqua calda alla temperatura di 87 C e un salto termico di 12 C. L impianto pilota è provvisto di sistemi di by-pass per dissipare l'energia termica dell acqua qualora prodotta in eccesso rispetto agli impieghi, mentre con una adeguata valvola si possono trasferire i gas di scarico in atmosfera qualora, per condizioni di emergenza, non fosse possibile destinarli al recupero per la produzione di acqua calda. Considerando un consumo specifico di gasolio di circa 196 g/kwh, il consumo di combustibile come olio vegetale che ha un PCI di Mj/Kg è di circa 226 g/kwh, di conseguenza il consumo di Olio Vegetale dell impianto pilota è pari a circa 27,2kg/h. Il rendimento elettrico lordo dell'impianto (senza autoconsumi e perdite elettriche) è stimato pari a circa il 42,9 %; mentre quello termico è stimato pari a circa il 34,0 %, per un rendimento globale lordo approssimativo del 77,0%. I valori di rendimento effettivi sono stati calcolati durante le prove di funzionamento e saranno riportati insieme ai risultati conseguiti nel periodo di test sul sito di riferimento:

9 RISULTATI ATTESI La combustione di tutti gli oli vegetali è di natura difficoltosa a causa della loro complessità molecolare rispetto ai combustibili tradizionali: ciò comporta la necessità di una quantità elevata di aria comburente affinché le emissioni di polveri vengano ridotte, ma conseguentemente vengono aumentate quelle degli ossidi di azoto. Il contenuto d'acqua negli oli vegetali non è inoltre sufficiente per ottimizzare il processo di combustione, ed è per questo motivo che si è scelto di utilizzare l'emulsione con particelle di acqua sotto forma di micro-sfere, le cui molecole vengono preventivamente fatte cavitare e successivamente iniettate ad alta pressione nel flusso di combustibile liquido, consentendo una emulsionarle stabile. L'energia cinetica posseduta dalle microsfere di acqua emulsionate e disperse nell'olio vegetale che alimenta l'impianto pilota, rappresentano un valore aggiunto che risulta fondamentale in fase di ossidazione (combustione), poiché consente di completare la reazione di L'utilizzo dell'olio vegetale, principalmente se prodotto dalla lavorazione di semi oleosi nazionali e/o europei derivanti da colture dedicate che possono essere concentrate anche su terreni non utilizzabili e/o utilizzati a fini alimentari, oltre ad avere una importante caratteristica di sostenibilità può diventare una ulteriore opportunità per il settore degli operatori agricoli. ossidazione anche con ridotti volumi di aria garantendo sia una riduzione drastica delle polveri incombuste, se non una reale assenza, che un sensibile aumento del rendimento complessivo. Il minore utilizzo di aria comburente porta inoltre il sistema ad avere un abbattimento dei composti dell'azoto NOx. I risultati attesi dall'utilizzo dell'olio sottoposto ad emulsione come alimentazione dell'impianto pilota sono in sintesi: riduzione dei composti dell'azoto NOx nelle emissioni dell'impianto, grazie al minor uso di aria comburente; riduzione di polveri e particolato nelle emissioni, grazie alla maggiore superficie di ossidazione del combustibile; riduzione del CO nelle emissioni, in quanto l'ossidazione viene completata senza frazioni intermedie; aumento del rendimento di conversione energetica del processo di combustione.

10 I PARTNER OROS - Progettazione del sistema e Sviluppo delle procedure tecniche: definizione ingegneristica e sviluppo del progetto con determinazione delle caratteristiche generali dello studio di ricerca, dell impianto nel suo assetto di esercizio e degli obiettivi finali del progetto di ricerca, analisi dello stato dell arte, attività amministrativa e gestione dei rapporti tra i partner e con l Ente cofinanziatore, elaborazione dei documenti finali. DIPARTIMENTO DI INGEGNERIA NAVALE dell Università Federico II di Napoli in collaborazione con l Istituto Motori del CNR di Napoli - Analisi dello stato dell arte, sviluppo della ricerca e analisi ambientale, progettazione della metodologia scientifica per l attività di analisi; conduzione dei test e elaborazione scientifica dei risultati delle prove. SECAL collaborazione alle attività di sviluppo del prototipo; gestione della fase di diffusione dei risultati conclusivi del progetto di ricerca, attraverso: il coordinamento dell elaborazione di materiali divulgativi, della realizzazione dei sito web, della realizzazione della brochure on line. ALMACIS Realizzazione del prototipo: preparazione del sito che ospita l impianto, progettazione della logistica di posizionamento, progettazione e fornitura e/o realizzazione delle strutture, del piping e di alcune componenti termiche, assemblaggio e realizzazione del prototipo nella versione finale. Assistenza sul campo durante le fasi di settaggio dell impianto e di prova. SIGMA ENGINEERING Progettazione ed implementazione del sistema Energy Meter con relativa fornitura e/o realizzazione dei software, degli hardware e degli strumenti di misura e quadri elettrici; collaborazione e assistenza sul campo durante le fasi di settaggio dell impianto e di prova. ARDUINI - Realizzazione del prototipo: pre-assemblaggio, fornitura e/o realizzazione del gruppo di cogenerazione comprensivo della componentistica ad esso inerente: cabinato di contenimento, silenziatore dei gas di scarico, sistema di alimentazione del combustibile, serbatoi di stoccaggio, ecc. Assistenza sul campo durante le fasi di settaggio dell impianto e di prova.