Nell ambito del progetto PON - µperla viene altresì realizzato il Master Sistemi Energetici Innovativi SEI.

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1 µperla - Programma di Energie Rinnovabili e Micro- Cogenerazione per l Agroindustria Fermare il consumo delle risorse naturali, o perlomeno rallentarlo sensibilmente, è ormai una necessità inderogabile. Da ciò deriva il grande sviluppo della ricerca nell ambito delle energie rinnovabili, quelle che si rigenerano e che in buona parte sono pulite perché non immettono sostanze nocive nell atmosfera. Il progetto PON - µperla mira a realizzare cicli energetici innovativi per il settore agroindustriale, grazie a sistemi flessibili di piccola taglia per l autoproduzione di energia dal gas prodotto a partire dagli scarti agro- industriali e dall energia solare con cogenerazione ad alta efficienza. L obiettivo strategico su ampia scala è la messa a punto sistemi innovativi e integrabili tra loro in Rete Intelligente (Smart- Grid) per la produzione decentrata e diffusa di energia elettrica e termica, con alte efficienze di conversione e basse potenze. Nell ambito del progetto PON - µperla viene altresì realizzato il Master Sistemi Energetici Innovativi SEI. Il percorso formativo è prefigurato come un Master Universitario di II livello dell Università della Calabria. L obiettivo è quello di formare 30 giovani talenti specificatamente nella progettazione e sviluppo di sistemi energetici da fonti non climalteranti (da fonti rinnovabili ovvero senza emissioni di CO 2 e/o con emissioni compensate), con speciale riferimento al solare termodinamico ed alle biomasse.

2 µperla - Programma di Energie Rinnovabili e Micro- Cogenerazione per l Agroindustria Fermare il consumo delle risorse naturali, o perlomeno rallentarlo sensibilmente, è ormai una necessità inderogabile. Da ciò deriva il grande sviluppo della ricerca nell ambito delle energie rinnovabili, quelle che si rigenerano e che in buona parte sono pulite perché non immettono sostanze nocive nell atmosfera. Il progetto PON - µperla mira a realizzare cicli energetici innovativi per il settore agroindustriale, grazie a sistemi flessibili di piccola taglia per l autoproduzione di energia dal gas prodotto a partire dagli scarti agro- industriali e dall energia solare con cogenerazione ad alta efficienza. L obiettivo strategico su ampia scala è la messa a punto sistemi innovativi e integrabili tra loro in Rete Intelligente (Smart- Grid) per la produzione decentrata e diffusa di energia elettrica e termica, con alte efficienze di conversione e basse potenze. Gli obiettivi specifici del progetto sono: Ø l autosostenibilità energetica; Ø la messa in opera di cicli ultra- corti dal recupero di biomassa di scarto agricola e agroindustriale e dal sole; Ø la micro- cogenerazione ad alta efficienza su scale da 1 kw a 200 kw. Capofila del progetto, l Università della Calabria mette in campo i propri dipartimenti di Fisica, Ingegneria meccanica, energetica e gestionale, Ingegneria informatica, modellistica, elettronica e sistemistica, Ingegneria per l ambiente e il territorio e Ingegneria chimica, oltre al Liaison Office, ufficio di trasferimento tecnologico dell ateneo. Partners Unical sono altri organismi di ricerca pubblici, quali Cnr- Itm, Cnr- Ipcf ed Enea, e sette aziende: Varat, SteelTech, Ungaro, Innova Solar Energy, Tecnap, società agricola Masseria Caporelli e società cooperativa agricola Osas. Le imprese agroindustriali partner sono coinvolte nella produzione, selezione e trattamento delle biomasse, nell implementazione di un digestore, di un gassificatore, di sistemi di cogenerazione di piccola taglia e nella sperimentazione dell integrazione di questi sistemi tra loro. In particolare, per i trattamenti delle biomasse umide e non legnose verrà realizzato un digestore di nuova concezione di piccola taglia e parametrizzabile per la produzione di biogas. In parallelo verrà sviluppato un gassificatore per la produzione di gas di sintesi (syngas) ad alto contenuto di idrogeno, a partire da biomassa legnosa. Il progetto include tra l altro fasi molto avanzate di purificazione e separazione del biogas e del syngas prodotti e del loro successivo stoccaggio tramite una nuova famiglia di materiali nano- strutturati sviluppati presso l Università della Calabria ed è prevista la sperimentazione finale dell uso dei gas prodotti opportunamente purificati in motori a combustione interna di piccola taglia e celle a combustibile. Tutte le innovazioni proposte si basano su know- how e brevetti recenti alla frontiera delle conoscenze tecnico/scientifiche attuali e a disposizione del partenariato e prevedono

3 un importante attività di codifica delle conoscenze acquisite durante lo svolgimento del progetto stesso al fine di costruire una solida base brevettuale per rafforzare le successive fasi di industrializzazione dei sistemi allo studio. I sistemi innovativi ed integrabili di piccola taglia energetica proposti nel progetto rappresentano una forte innovazione nel mercato energetico mondiale e sono utilizzabili anche al di fuori della filiera dell agroenergia, in tutti i casi in cui l autosostenibilità energetica, l alta efficienza di conversione e la produzione decentrata e diffusa di energia siano prioritari. Il progetto è suddiviso in 7 Obiettivi Realizzativi differenti (OR 1-7) ciascuno, a sua volta, suddiviso in diverse attività che, a vario titolo, vedono coinvolte le Aziende e i diversi Organismi di Ricerca in compiti che attengono sia alla ricerca di base che allo sviluppo delle soluzioni tecniche individuate. ObieLvi RealizzaMvi OR1 Stato dell arte e analisi dei requisim OR2 Disegno, CaraRerizzazione e OLmizzazione dei processi di produzione di bio- combusmbili OR3 Downstream processing OR4 Sistemi solari termodinamici OR5 Microcogenerazione da biomasse solide OR6 Produzione Energia e integrazione del sistema su scala pilota OR7 Test e validazione

4 OR1 Stato dell arte e analisi dei requisiti (Resp. Prof. Riccardo Barberi) In questa fase preliminare verranno studiati i principali contributi scientifici e le soluzioni industriali finora adottate, in riferimento alle tematiche proprie del progetto: verranno prese in esame oltre alle differenti tipologie di biomasse, anche le tecnologie ad oggi utilizzate nella produzione di energia e le potenziali integrazioni fra tecnologie diverse. Si definirà un quadro dettagliato delle diverse aziende per pervenire ad una valutazione delle tipologie di biomasse e delle relative quantità prodotte per azienda. Nel contempo si dovranno analizzare le caratteristiche e le funzionalità di eventuali tecnologie alternative che si prefiggano l obiettivo di trattare, a costi concorrenziali, scarti di produzione agricoli o residui agro- industriali. Analogamente, si analizzeranno le tecnologie esistenti per la purificazione, la separazione e lo stoccaggio del biogas e del syngas, valutando gli eventuali vantaggi competitivi insiti nell adozione dei sistemi proposti nel presente programma. Si condurrà, per esempio, un approfondita analisi di letteratura e di mercato volta a definire le attuali tecniche di gassificazione della biomassa di natura legnosa, con la definizione delle perfomance, dei limiti e dei possibili sviluppi degli impianti esistenti. Allo stesso tempo verranno acquisite le informazioni disponibili relative al funzionamento dei sistemi di generazione energetica (motori a combustione interna e celle a combustibile) alimentate con syngas proveniente da impianti di gassificazione. Particolare attenzione sarà dedicata agli impianti di piccola taglia ed al problema del down- scaling. Attualmente, infatti, piuttosto limitate sono le esperienze e le informazioni disponibili per sistemi di taglia inferiore ad 500 kwe con rendimento elettrico superiore al 25-28%, nonostante il notevole interesse per il settore agroindustriale e la possibilità di realizzare filiere ultra- corte. Lo stesso approccio sarà utilizzato per l analisi e la definizione dello stato dell arte per le altre tecnologie allo studio. Verranno così messi in evidenza i punti critici da affrontare, evidenziando le esigenze di utilizzo di impianti di piccola- media taglia a fronte di impianti di dimensione su scala maggiore. Ci si aspetta di aumentare il bagaglio di competenze e di acquisire una conoscenza dettagliata e approfondita di tutti gli studi (articoli scientifici e brevetti tecnici, in primis) pubblicati sull argomento oggetto della presente proposta, sia per ciò che concerne la materia prima sia per gli aspetti tecnologici. Si prevede, inoltre, di pubblicare una review su una rivista internazionale censita ISI; in tale pubblicazione, saranno descritti e riassunti i principali studi prodotti sull argomento. Nel contempo si prevede di redigere un rapporto tecnico in cui verranno descritti ed analizzati i principali requisiti tecnici e funzionali relativi all adozione dei sistemi oggetto della presente proposta. Nel rapporto si evidenzieranno anche i potenziali interessi delle aziende agro- industriali, valutando anche le ricadute in termini di riutilizzo dei sottoprodotti generati dal trattamento o di riduzione dei rifiuti da smaltire con possibilità di incremento delle produzioni. Tale analisi sarà dettagliata per tipologia di azienda, nella logica di effettuare una successiva sperimentazione sulle stesse. Le attività previste in questo Obiettivo realizzativo sono le seguenti: Stato dell Arte, Analisi della letteratura scientifica e della Proprietà Intellettuale pre- esistente Analisi del mercato e dell impatto delle nuove tecnologie allo studio Analisi dei requisiti tecnico/funzionali Elementi significativi di Innovazione: 1 Aggiornamento delle competenze finalizzate al territorio ed alle reali esigenze delle aziende coinvolte. 2 Approccio multidisciplinare al problema con coinvolgimento di più competenze.

5 3 Individuazione delle tecniche innovative più adatte alla caratterizzazione delle biomasse, al loro pretrattamento ai fini della produzione di biogas, ed alla conduzione ed al controllo del processo di digestione anaerobica. 4 Definizione della distribuzione della produzione di biomasse nel territorio regionale calabrese Obiettivi finali: 1 Redigere un piano territoriale con una dettagliata distribuzione geografica delle biomasse (umide e solide) e una definizione delle esigenze energetiche e delle problematiche ambientali. 2 - Elaborazione di un piano per l utilizzazione delle biomasse a scopo energetico nell ambito delle attività di progetto. 3 - Definizione del sistema di gassificazione, del motore con relativo sistema di alimentazione, delle celle a combustibile funzionanti con syngas 4 Fornire il quadro delle esigenze e delle soluzioni esistenti allo stato attuale per le successive fasi del progetto.

6 OR2 Disegno, Caratterizzazione e Ottimizzazione dei processi di produzione di bio- combustibili (Resp. Ing Angelo Algieri, Ing. Stefano Curcio) In questo OR si vuol dare una risposta ad una serie di problematiche tecnico- scientifiche e tecnologiche che affliggono sia il processo di digestione anaerobica e che riguardano, essenzialmente, l influenza delle condizioni operative sull efficienza del processo e sulle rese in biogas prodotto, sia la massificazione, ove, anche per questo caso, è necessaria una caratterizzazione della biomassa, soprattutto nella logica di voler utilizzare biomasse legnose derivanti da scarti dell industria agro- alimentare. Tutto ciò si finalizza alla volontà di realizzare prototipi di digestori anaerobici su piccola scala da utilizzare in situ, che possano adattarsi alle diverse tipologie di biomasse, ovvero alla esigenza di mettere a punto sistema di micro- cogenerazione per la produzione di energia. In tal senso la controllistica del processo riveste un ruolo essenziale e non può non prescindere dalla conoscenza delle materie prime, del prodotto finale e della tipologia di reattore da utilizzare. Per fornire gli elementi necessari alle successive fasi di progettazione e controllo dei processi, sarà data particolare rilevanza alla caratterizzazione chimica, chimico- fisica e strutturale delle differenti biomasse, umide e secche. Le attività previste in questo Obiettivo realizzativo sono le seguenti: Determinazione delle caratteristiche chimico- fisiche delle biomasse umide e delle biomasse legnose Individuazione di processi di pre- trattamento delle biomasse umide e delle biomasse legnose per aumentare le rese di produzione Analisi e caratterizzazione del processo di digestione anaerobica di diverse tipologie di biomassa umida Analisi e caratterizzazione del processo di gassificazione di biomasse legnose Implementazione di sistemi di controllo intelligenti per l ottimizzazione dei processi di produzione Realizzazione e test di impianti pilota di piccola taglia di gassificazione Realizzazione e test di impianti pilota di piccola taglia di digestione anaerobica. Elementi significativi di Innovazione: 1 - Ridisegnare i processi non più su scala semi- empirica ma con razionalità di processo, definendo gli input e gli output sulla base di parametri univocamente determinabili. 2 - Introdurre sistemi innovativi rivisitando processi e tecnologie esistenti, adattandoli alle esigenze di un mercato su scala medio- piccola. 3 - Caratterizzazione delle biomasse distinguendone le frazioni a diversa biodegradabilità. 4 - Applicazione su impianti pilota di tecniche innovative di pre- trattamento delle diverse tipologie di biomasse, finalizzate ad aumentare le rese di produzione di biogas. 5 - Individuazione di modalità di conduzione e controllo ottimali dei processi di digestione anaerobica delle diverse tipologie di biomassa, ai fini di massimizzare la produzione di biogas. 7 - realizzazione di un sistema energetico originale per la modalità di generazione e recupero di calore dalle biomasse costituito da un gassificatore modulare di piccola taglia con elevate efficienza di gassificazione, produzione di elevati tenori di idrogeno e bassi contenuti di catrami 8 - digestore anaerobico modulare di piccola taglia Obiettivi finali:

7 1 Classificazione delle biomasse e definizione dei parametri di processo, di gestione del reattore e di stabilità dello stesso, per ciascuna conversione. 2 - Realizzazione di prototipi di piccola potenza, per il trattamento di biomasse per la produzione di biogas. 2 - Implementazione di sistemi di controllo per il dialogo tra parametri di input ed output, al fine di ottimizzare le prestazioni dei prototipi. 3 - Ottenere una configurazione impiantistica ottimizzata per il gassificatore di piccola taglia, in grado cioè di trattare diverse tipologie di biomasse, anche in miscela fra di loro, attuando le opportune variazioni delle condizioni operative al fine di assicurare elevate prestazioni. 4 - Ottenere una configurazione impiantistica ottimizzata per il digestore anaerobico modulare di piccola taglia, in grado cioè di trattare diverse tipologie di biomasse, anche in miscela fra di loro, attuando le opportune variazioni delle condizioni operative al fine di assicurare elevate prestazioni. 5 Primi test sui sistemi sviluppati

8 OR3 Downstream processing (Resp. Prof. Raffaele Agostino) Il biogas da fermentazione contiene come componenti principali CH4 e CO2, oltre che vapor d acqua e quantità minori di idrogeno, H2S e composti organici volatili (VOCs) quali mercaptani, silossani, aromatici (BTEX), organoclorurati, etc.. Metano (e idrogeno) sono i componenti pregiati del biogas, mentre CO2, H2O, H2S, VOCs e silossani ne abbassano il potere calorico, inducono corrosione nelle tubazioni e nei sistemi di stoccaggio del biogas, si adsorbono fortemente sugli adsorbenti per lo stoccaggio fino ad escludere il metano, producono silicati e quarzo microcristallino che usurano i motori a combustione interna. La rimozione dei gas acidi dalla corrente contenente CH4, CO2, H2O, H2 e H2S (addolcimento) può essere condotta con metodi di assorbimento con solvente (acqua, glicole, ammine), con membrane, o con un sistema ibrido solvente- membrane. Nel caso di flussi modesti di gas naturale contenenti percentuali elevate di gas acidi, sistemi a membrana o sistemi ibridi membrana- solvente risultano più convenienti rispetto ai sistemi a solvente (Fig. 1., R.W. Baker, et al., Ind. Eng. Chem. Res., 47 (2008) 2109). Saranno studiate le migliori soluzioni per purificare il bio- gas per la combustione diretta, e per soddisfare le specifiche per l immissione in rete e per lo stoccaggio di metano, attraverso sistemi ad ammina, a membrana, o ibridi, partendo da sistemi commerciali o producendone di nuovi. Le membrane polimeriche, attualmente usate in commercio, presentano un limite intrinseco di permeabilità e selettività. In particolare, per superare questo cosiddetto limite superiore nei diagrammi permeabilità/selettività CO2/CH4 delle membrane polimeriche esistenti (L. M. Robeson, J. Membrane Sci., 320 (2008) 390) si studieranno membrane innovative a matrice mista, contenenti filler inorganici dispersi in matrici polimeriche (S. Basu, et al.; Chem. Soc. Rev., 39 (2010) 750). Fig. 2. Diagramma che mostra l effetto del flusso di gas naturale e della concentrazione di CO2 sulla scelta della tecnologia per la rimozione di CO2. Da R.W. Baker, et al., Ind. Eng. Chem. Res., 47 (2008) Il syngas da pirolisi di biomasse necessita di pretrattamento: esso contiene soprattutto H2, N2, CO, CO2, H2O, poco metano, composti dello zolfo, BTEX, peci, particolato. Il particolato, le peci, gli aromatici e i composti dello zolfo devono essere rimossi, prima dell ulteriore separazione del syngas, mediante assorbimento con solvente (scrubbing). Parte dell idrogeno deve essere

9 separato dal resto (N2, CO, CO2, H2O, metano) attraverso membrane selettive prima dello stoccaggio o dell invio alle celle a combustibile, mentre il resto, che contiene ancora idrogeno residuo, CO e metano, alimenterà un motore a combustione interna. Il limite superiore nei diagrammi permeabilità / selettività H2/CO2 delle membrane polimeriche esistenti (L. M. Robeson, J. Membrane Sci., 320 (2008) 390) è sfavorevole, pertanto si studieranno nuove membrane a matrice mista, contenenti filler inorganici dispersi in matrici polimeriche, più selettive e permeabili verso l idrogeno (S. Basu, et al.; Chem. Soc. Rev., 39 (2010) 750). Lo stoccaggio di metano da biogas, e di idrogeno da syngas, sarà effettuato mediante assorbimento su materiali microporosi ad alta superficie specifica, in grado di tollerare le impurezze presenti senza degradazione delle proprietà di assorbimento. I materiali per lo stoccaggio di metano dovranno tollerare modeste quantità di CO2, tracce di H2S, di acqua e di idrocarburi leggeri, mentre i materiali per lo stoccaggio di H2 dovranno tollerare in più tracce di CO. Le attività previste in questo Obiettivo realizzativo sono le seguenti: Purificazione del biogas e del syngas prodotti Separazione di metano da biogas Separazione di idrogeno da syngas Nanomateriali per stoccaggio di metano Nanomateriali per stoccaggio di idrogeno Realizzazione e test di sistemi pilota per stoccaggio Elementi significativi di Innovazione: 1 - Sviluppo di un impianto pilota in grado di trattare e separare sia il biogas che il syngas per valorizzarne i singoli componenti. 2 Sviluppo di nuove membrane con elevate proprietà permeo selettive per la separazione di metano 3 Sviluppo di nuove membrane con elevate proprietà permeo selettive per la separazione di idrogeno 4 Sviluppo di nano- materiali per lo stoccaggio di metano 5 Sviluppo di nano- materiali per lo stoccaggio di idrogeno 6 Sviluppo di sistemi per lo stoccaggio di idrogeno e metano Obiettivi finali: 1 Costruzione e messa in opera di un impianto pilota per il trattamento del biogas e syngas 2 Sviluppo di nuove membrane con prestazioni permeo- selettive e stabilità, nelle condizioni operative, superiori a quelle attualmente commerciali. 3 Sviluppo di almeno un nano- materiale per lo stoccaggio di metano 4 Sviluppo di almeno un nano- materiale per lo stoccaggio di idrogeno 5 Sviluppo di sistemi per lo stoccaggio di idrogeno e metano

10 OR4 Sistemi solari termodinamici (Resp. Prof. Riccardo Barberi) Recentemente, collaborazioni di ricerca industriale tra l Università della Calabria, il CNR- IPCF, Innova Technology Solutions srl, di cui Innova Solar Energy è lo spin- off destinato a valorizzare le tecnologie sviluppate per il solare termodinamico, DeltaE srl, un azienda spin- off dell Università della Calabria, hanno permesso di realizzare un primo dimostratore per la generazione di energia elettrica e termica sfruttando come fonte energetica la concentrazione dell energia solare. Il sistema prototipale già realizzato è composto principalmente da una struttura parabolica, con specchi piani riflettenti di dimensioni 30cm x 30cm. Il prototipo è movimentato da un sistema elettro- meccanico che permette l inseguimento della traiettoria solare lungo due assi indipendenti (asse azimutale e asse zenitale) e quindi permette di concentrare i raggi solari su un area focale la cui dimensione è di circa 45cm x 45cm. Sull area focale è posizionato un concentratore secondario parabolico (compound parabolic concentrator- cpc) il cui scopo è quello di adattare l area focale sulla testa di pre- heating del motore stirling free- piston che converte il calore accumulato in energia elettrica, tramite un generatore elettrico lineare integrato, ed in energia termica a temperatura media. Dai risultati sperimentali preliminari è emerso che il sistema prototipale, così realizzato, presenta un basso rendimento determinato principalmente da: bassa densità di energia sulla testa del motore Stirling, dovuta all area focale troppo grande; perdite ottiche, convettive e radiative troppo grandi, dovute alla mancanza di coibentazione della testa dello Stirling; bassa riflettività degli specchi utilizzati per la concentrazione della radiazione solare; errore di puntamento dovuto ad un bassa risoluzione dell elettronica di tracking solare. Nonostante questi limiti, il sistema ha dimostrato l adattabilità di un convertitore Stirling di piccola taglia (1 kw elettrico) all uso solare. Tale risultato è importante perché il motore Stirling in questione è nel suo genere l unico attualmente disponibile a livello industriale nel mondo ed è stato realizzato per operare in camere di combustione a gas. Il suo possibile adattamento all uso solare non era quindi ovvio. E ora richiesta un intensa attività di ricerca industriale perché questo sistema dimostrativo possa essere trasformato in un prototipo pre- industriale. Il Sistema di Co- generazione Termodinamico (SCT) da fonte solare che si andrà a realizzare sarà molto diverso dal primo dimostratore e sarà composto principalmente da: Modulo ottico è costituito principalmente da un concentratore primario di forma parabolica, rivestito di materiale riflettente che ha lo scopo di concentrare la radiazione solare sull area focale ben definita dove è localizzato il convertitore termodinamico; Modulo di conversione termodinamico costituito da: o un ricevitore ottico a cavità che ha lo scopo di intrappolare la radiazione solare e trasmetterla efficacemente alla testa di pre- heating dello stirling; o un motore stirling free- piston che trasforma la radiazione solare in energia elettrica e termica; o un sistema ad inverter per verificare la funzionalità ed i vantaggi del metodo DHC (Dynamic Harmonic Compensator). Modulo di accumulo di acqua calda a ciclo chiuso composto da un serbatoio e da una pompa idraulica a media potenza che ha lo scopo di far circolare l acqua di raffreddamento per lo stirling e quindi di trasferire il calore in eccesso all acqua presente all interno del serbatoio Modulo di controllo elettronico costituito da: o Sistema elettronico che realizza l inseguimento automatico della traiettoria solare;

11 o Sistema elettronico che controlla il funzionamento del motore stirling. In questa fase verrà anche integrato un sistema di puntamento solare che opera attraverso l elaborazione del movimento solare in base alla latitudine, longitudine e posizionamento del dispositivo. Questo algoritmo di inseguimento, ad orologio astronomico, rispetto ai sistemi tradizionali permette: Un basso errore di puntamento anche con tempo variabile Un ridotto consumo energetico nell attuare l inseguimento solare (non è necessario alcun feedback e questo porta anche ad una minore usura delle parti meccaniche e quindi maggiore MTBF) Nessun declassamento per invecchiamento dei sensori e/o polveri/deiezioni Uniforme posizionamento degli inseguitori Assenza di errori per ombreggiamento Massima efficienza in tutte le condizioni operative Lo SCT sarà movimentato da un sistema elettro- meccanico automatico che permetterà l inseguimento della traiettoria solare lungo due assi indipendenti (asse azimutale e asse zenitale). Tale movimentazione permette che ad ogni istante l asse del concentratore ottico primario punti lungo la direzione del sole e quindi che i raggi provenienti dall infinito si concentrino sulla sua area focale. Il modulo di conversione, costituito da uno stirling free- piston, sarà posto sull area focale del paraboloide primario in cui sarà presente un ricevitore ottico che trasmetterà efficacemente la radiazione solare concentrata sulla testa di pre- heating dello stirling, minimizzando le perdite convettive e radiative del sistema. La radiazione solare concentrata riscalderà la testa di pre- heating dello stirling il quale convertirà il calore accumulato in energia elettrica, tramite un generatore elettrico lineare integrato, ed in energia termica a temperatura medio- bassa. Lo stirling free- piston, fornito della Microgen Engine Corporation, con cui esiste un accordo di esclusiva nell uso solare del proprio convertitore Stirling, presenta, a seconda delle condizioni di funzionamento, un rendimento elettrico variabile tra il 25% ed il 30%. Inoltre il sistema SCT permetterà di recuperare l energia termica sotto forma di acqua calda raccolta in un serbatoio coibentato ad una temperatura tra 60 C ed 80 C. Il rendimento globale medio- annuo di conversione di energia solare in energia termica + elettrica è stimato essere superiore al 44%. Le attività di ricerca industriale e di sviluppo sperimentale che verranno svolte durante questa fase hanno come Obiettivo Finale : sviluppare l ottica di concentrazione tale da minimizzare l area focale e quindi ridurre le perdite ottiche; sviluppare il sistema di accoppiamento e trasferimento del calore tra l area focale e la testa di pre- heating dello stirling per ridurre le perdite convettive e radiative; studiare nuovi coating protettivi per minimizzare l invecchiamento e le perdite di riflettività dovute agli agenti atmosferici; sviluppare l elettronica di controllo e sicurezza del sistema per ridurre sia gli errori di inseguimento del sistema che proteggere il sistema da eventi atmosferici avversi (vento, pioggia e grandine).

12 ~15cm 40cm (b) (a) Figura. 3 (a) Dimostratore, (b) Area Focale STC MODULO OTTICO MODULO CONVERSIONE ENERGIA MODULO UTILIZZO/ACCULO ENERGIA Perdite Sole Radiazione solare Concentratore primario Ricevitore ottico Stirling Boiler Pompa Scambiatore di calore Elettricità Modulo Elettronico di Controllo Calore Fig. 4 - Schema di funzionamento del sistema di Cogenerazione Termodinamico (SCT) Le attività previste in questo Obiettivo realizzativo sono le seguenti: - Sviluppo testa Stirling per riscaldamento da energia solare concentrata - Sviluppo e ottimizzazione ottiche di concentrazione

13 Superfici riflettenti e nanotecnologie per pulizia e protezione Studi di down- scaling e up- scaling dei sistemi sperimentali Sviluppo sistemi di controllo e sicurezza Realizzazione e test sistemi pilota Elementi significativi di Innovazione: 1. Utilizzo di sistemi a concentrazione con ricevitore Stirling funzionanti in regime co- e tri- generativo 2. Sistema a concentrazione solare su piccola scala di energia (1 kw elettrico) ma ad alta efficienza di conversione (Stirling con 33% di efficienza di conversione elettrica); 3. Sistema di conversione su un concentratore solare di piccola potenza (1 kw elettrico) che opera integrato ad un sistema DHC (Dynamic Harmonic Compensator); Obiettivi finali: 1. Realizzazione di un sistema solare ottimizzato per la produzione congiunta di elettricità e calore con correzione delle armoniche presenti sulla rete di distribuzione; 2. Realizzazione di modelli numerici capaci di simulare il comportamento del sistema al variare delle variabili di esercizio (geometriche, termodinamiche, ambientali).

14 OR5 Microcogenerazione da biomasse solide (Resp. Prof. Giuseppe Oliveti) Una delle risorse maggiormente diffuse sul territorio sono le biomasse solide principalmente da potatura e scarti di lavorazione agricola. Affinche questa disponibilità diventi risorsa energetica è necessario creare dei microcogeneratori, ovvero sistemi capaci di produrre con buona efficienza quantità di calore e di energia elettrica per utenze domestiche o similari. La produzione di energia termica tramite la combustione delle biomasse solide di piccola scala sono ormai molto diffuse e la tecnologia molto matura. Infatti, il mercato delle caldaie a pellet è ormai molto ampio e la ditta Ungaro, presente nella compagine proponente, è una di queste mantenendo una quota di mercato importante non solo in Italia ma in Europa ed in Nord America. L idea dell attività di ricerca è quella di rivisitare al tecnologia attualmente adottata per trasformare la classica caldaia a pellet in un microcogeneratore ovvero un sistema in grado di produrre acqua calda per usi sanitari o per il riscaldamento ed, attraverso un opportuno motore stirling, energia elettrica da poter auto consumare o immettere in rete in caso di eccesso di produzione. Per raggiungere questo obiettivo è necessario, inoltre, mettere a punto un opportuno sistema di controllo della caldaia e del sistema di conversione elettrica di interfaccia con la rete. In tal modo il dispositivo gode, in accordo alle disposizioni di legge attuali, di incentivi economici nella sola produzione di energia elettrica. L impiego del motore Stirling nei generatori di calore considerati, rappresenta un sistema innovativo, con ampie possibilità di utilizzo nella taglia da 1 kw elettrico e 24 kw termici (valori indicativi possono essere 1kW elettrico per 6 kw termici assorbiti dal motore e il rimanente fabbisogno termico prodotti in maniera tradizionale per soddisfare i fabbisogni termici). Il motore Stirling considerato è del tipo a pistone libero ed utilizza come fluido evolvente un gas; richiede una sorgente calda, ottenuta mediante un processo di combustione, e una sorgente fredda che può essere realizzata con una portata di aria esterna, oppure con una portata di acqua, che potrebbe essere quella di ritorno dall impianto di riscaldamento, il cui livello termico è molto vantaggioso soprattutto nei sistemi di erogazione del calore a bassa temperatura (pannelli radianti, radiatori con valvole termostatiche, ecc.). Quest ultima soluzione rende il sistema più compatto e il funzionamento più silenzioso. In parallelo alla sperimentazione del convertitore Stirling verrà provata, su questo range di potenza la conversione statica con il metodo DHC (Dynamic Harmonic Compensator). Questo OR è realizzato dall azienda Ungaro srl in collaborazione con l Università della Calabria e la Tecnap srl.. Oggi la ditta Ungaro produce termostufe idro, che si possono collegare ad impianti di riscaldamento esistenti; l'estrema facilità di installazione ne rende semplice l'utilizzo, la manutenzione ed il funzionamento. Sono tutte dotate di uno scambiatore di calore in rame per ottenere il massimo del rendimento in brevissimo tempo e tutti i modelli possono essere forniti di kit per la produzione di acqua calda sanitaria continua. Questi sistemi rappresentano la base tecnologica, già avanzata nel settore, su cui inserire la nuova tecnologia cogenerativa che fa uso del convertitore Stirling di Microgen. Al fine di realizzare una filiera ultracorta per la biomassa da utilizzare nella caldaia cogenerativa, si intende mettere a punto una pellettizzatrice in gradi di produrre a partire dalla biomassa localmente disponibile, ad esempio da potatura o da pulizia da sottobosco, il pellet da utilizzare in caldaia. Tale macchina ovviamente di piccola taglia avrà un alto grado del rapporto kg di pellet prodotto/kw consumato e sarà dimensionato in modo da utilizzare l energia elettrica prodotta dalla caldaia cogeneratrice.

15 Fig. 2 Modello di caldaia a basamento con funzionamento a pellet, specifica per installazioni in locale termico, di produzione Ungaro. Le attività previste in questo Obiettivo realizzativo sono le seguenti: Processi di produzione e caratterizzazione chimico fisica di biocombustibile solido Sviluppo testa Stirling per bruciatori/caldaie Sviluppo sistemi bruciatori/caldaie + Stirling Sviluppo sistemi di controllo e sicurezza Realizzazione sistemi pilota Elementi significativi di Innovazione: 1 Microcogenerazione da biomassa solida rivolto al mercato domestico a costi contenuti 2 Produzione di energia elettrica utilizzando stufe a biomassa per riscaldamento 3 Sviluppo di una camera di combustione innovativa 4 Sviluppo di uno scambiatore rotante rigenerativo ottimizzato per la stabilità della sorgente fredda 5 Sistema automatico di pulizia della testa del motore stirling 6- Realizzazione di una macchina per la produzione di pellets su scala domestica 7- Vantaggi che si ottengono eliminando le armoniche presenti su rete, utilizzando il sistema DHC. Obiettivi finali: 1 Realizzazione di un prototipo di stufa a pellet cogenerativa di piccola taglia ottimizzato per gli usi domestici abbinata ad una macchina per la produzione di pellets; 2 Semplicità d uso e di installazione in ambito domestico ad elevata affidabilità; 3 Ottimizzazione dei costi di produzione per maggiore penetrazione nel mercato.

16 OR6 Produzione Energia e integrazione del sistema su scala pilota (Prof. Daniele Menniti) In questo obiettivo realizzativo si realizzano su scala pilota i sistemi di produzione combinata di energia termica ed elettrica sviluppati in precedenza con una visione di integrazione. L integrazione dei diversi sistemi di produzione avviene attraverso un ambiente SmartGrid. Una SmartGrid è un sistema di gestione intelligente dei carichi e dei generatori elettrici e termici attraverso dei sistemi di controllo interagenti con un supervisore attraverso un opportuna rete di comunicazione. L ambiente SmartGrid consente di sincronizzare per quanto possibile la produzione di energia elettrica e termica con il fabbisogno reale, anche gestendo i sistemi di accumulo, ed utilizzando la rete elettrica o del gas in immissione o prelievo quando non è possibile far coincidere la produzione con la richiesta sia per motivi di disponibilità che economici. Le attività previste in questo Obiettivo realizzativo sono le seguenti: Messa a punto dei Motori Stirling Messa a punto controllo motore a combustione interna per alimentazione con syngas Messa a punto di un banco prova con celle a combustibile ad alta temperatura alimentate con syngas Realizzazione di co- e tri- generatori di taglia medio- piccola Ottimizzazione dei sistemi di produzione di energia Realizzazione e Ottimizzazione di una Micro- smart grid Integrazione delle diverse tecnologie proposte Realizzazione di impianti pilota che integrino le diverse tecnologie proposte Elementi significativi di Innovazione: 1 - Realizzazione di una msmartgrid 2 Uso di Syngas ad alto contenuto di idrogeno in motori a combustione interna di piccola potenza 3 Uso di Syngas sporchi in celle a combustibile calde Obiettivi finali: 1 - Integrazione delle diverse tecnologie di produzione 2 Raggiungimento della piena operatività dei motori a combustione interna e delle celle a combustibile con syngas di composizione analoga a quelli attesi in gassificazione 3 Definizione delle condizioni operative ottimali e delle efficienze di Motori a Combustione Interna e delle Fuel Cells da adoperare in integrazione con il sistema di gassificazione 4 Validazione delle performaces globali del sistema di gassificazione (rendimento elettrico atteso >25-28%, contenuto di tars < 2g/Nm3)

17 OR7 Test e validazione (Resp. Prof. Riccardo Barberi) Le attività previste in questo Obiettivo realizzativo sono le seguenti: Analisi delle rese dei diversi processi sviluppati Ottimizzazione dei processi integrati Field Test e Verifica dell utilizzabilità dei sistemi proposti Certificazione di qualità biologica/ambientale/etica Elementi significativi di Innovazione: 1 realizzazione pratica dell intero processo integrato di ciclo energetico autosostenibile per il settore agroalimentare Obiettivi finali: 1 Valutazioni sulla sostenibilità ambientale 2 Valutazioni sulla sostenibilità industriale

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