Impianto di Castel d Aiano Monitoraggio e valutazione delle prestazioni. Analisi preliminare

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1 Ing. Filippo Marini environmental engineer Impianto di Castel d Aiano Monitoraggio e valutazione delle prestazioni Impianto di cogenerazione a cippato di legno basato sulla tecnologia Stirling Analisi preliminare

2 INDICE 1 Introduzione Impostazione prelimianre Analisi del gassificatore Analisi del motore Stirling Analisi del sistema nel suo complesso Test con differenti tipi di biomasse Strumentazione necessaria Analisi del gassificatore Analisi del gas di legno: Analisi dei fumi: Analisi dell umidità del legno: Valutazione della corrente elettrica prodotta: Valutazione del calore prodotto: Perdite termiche dalle superfici esterne: Termografia: Programma e tempi

3 1 INTRODUZIONE L impianto di Castel d Aiano è stato realizzato alla fine dell anno 2008 da CISA in collaborazione con CO.SE.A., consorzio di servizi ambientali della zona, nel comune di Castel d Aiano. L impianto è in grado di produrre una potenza elettrica di 35 kw ed una potenza termica di 140 kw; il sistema di cogenerazione si basa su un gassificatore di cippato di legno ed un motore di tipo Stirling per la produzione combinata di energia elettrica e calore (CHP), l intera tecnologia è stata realizzata dalla Stirling Danmark. Questa particolare realizzazione, che si basa principalmente sulla motore Stirling, che è la parte centrale e più tecnologica dell intero sistema, rappresenta uno dei primi impianti industriali in Europa basati biomasse in combinazione con la tecnologia dei motori Stirling. su un sistema di gassificazione di L impianto è stato portato in produzione nella prima parte dell anno 2009, dimostrando la capacità di una generazione elettrica a pieno regime ed una particolare stabilità di tutti i processi termodinamici, questo rappresenta un buon risultato fin dalle prime realizzazioni, contraddistinguendo l intero sistema positivamente. Questo risultato è stato ottenuto anche grazie al perfetto funzionamento del motore Stirling, che dà la possibilità di bruciare direttamente in camera di combustione il gas di legno prodotto nel gassificatore di tipo up-draft; di conseguenza si sono potuti escludere i complessi sistemi di pulizia del gas di legno, che presenta un contenuto di TAR abbastanza elevato, dando la possibilità di realizzare un processo particolarmente semplice. Con l obiettivo di dimostrare questo risultato particolarmente positivo e di conseguenza diffondere questa tipologia di impianti ad energia rinnovabile nelle zone Appenniniche il CISA, in collaborazione con il CO.SE.A., la Stirling Danmark ed il DTU (Danmarks Tekniske Universite) di Lyngby, ha deciso di iniziare un monitoraggio dettagliato dell impianto, che possa evidenziare e conoscere meglio tutti i processi e le prestazioni energetiche durante i primi mesi di funzionamento. Questo lavoro di ricerca darà inoltre la possibilità di analizzare nel dettaglio il processo di gassificazione, stadio di processo particolarmente interessante ed attualmente poco studiato, aiutando lo sviluppo delle conoscenze in questo 3

4 campo, considerato come punto essenziale per le nuove tecnologie nel campo della cogenerazione a biomassa. Queste attività vengono svolte nell ambito del progetto regolato dalla convenzione tra la Regione Emilia-Romagna e la Società consortile CISA soc. cons. a. r. l per la realizzazione dei centri per l'innovazione, previsti dalla misura 3.4 azioni a e b del programma regionale per la ricerca industriale, l'innovazione e il trasferimento tecnologico. A questo proposito vanno registrate difficoltà di coordinamento con Lisea e Leap derivate dallo sfasamento nelle date di partenza dei progetti e dei tagli che i progetti originari hanno subito nella fase di valutazione finale le attività. Grazie anche al lavoro di Aster si cercherà comunque di sviluppare un rapporto relativo all ottimizzazione dell impianto ed alla misura delle relative prestazioni, con LISEA, ed in particolare con UNIBO-DIEM. Per la parte di monitoraggio relativa alla verifica delle emissioni al camino, e quindi del rispetto delle norme vigenti in termini di emissioni inquinanti, verranno verificate possibili collaborazioni con LEAP. 4

5 2 IMPOSTAZIONE PRELIMIANRE Riassumendo quindi, questo progetto di monitoraggio ha l obiettivo principale di descrivere il processo ed esaminare in dettaglio ogni fase della produzione di energia, calcolando anche per ciascuna fase l efficienza, il rapporto di rendimento e l impatto ambientale, che si suppone essere estremamente ridotto. La campagna di monitoraggio e la conseguente stesura dei principali documenti verrà svolta per conto di CISA principalmente da Filippo Marini, responsabile del progetto, in collaborazione con Gerald Marinitsch che fornirà principalmente un supporto tecnico nell ambito della collaborazione con la Stirling Danmark. Il lavoro descriverà il funzionamento dell impianto attraverso una dettagliata analisi del processo ed il rilevamento dei parametri più importanti che ne descrivono il sistema, attraverso grafici e dati puntuali. Per organizzare meglio il lavoro, l analisi dell impianto verrà divisa nelle seguenti parti: Analisi del gassificatore Analisi del motore Stirling Analisi del sistema nel suo complesso Test con differenti tipi di biomasse 2.1 Analisi del gassificatore Il processo di gassificazione verrà descritto in dettaglio attraverso il rilevamento delle temperature interne e l esame della composizione chimica del gas di legno prodotto; per questa ragione è necessario attrezzarsi con un analizzatore di gas, questa strumentazione deve essere in grado di scindere il gas di legno nelle sue diverse componenti gassose combustibili, calcolando anche la percentuale di ogni singola componente. Una serie di termocoppie verrà installata all interno del gassificatore, a differenti altezze, in modo da avere un buona idea del processo interno in tre dimensioni, descrivendo fisicamente le parti in cui si divide il processo interno per la 5

6 formazione del gas: zona di ossidazione/riduzione, zona di pirolisi e zona di essiccazione. Questi dati ti temperatura verranno ottenuti in diverse condizioni di ossigeno percentuale nella miscela iniettata nella zona di combustione, in diverse condizioni di umidità del legno e di composizione del gas; infatti sono attesi risultati differenti in funzioen del quantitativo di ossigeno iniettato, ciascun risultato verrà digitalizzato ed archiviato Excell potendo ottenere i grafici di funzionamento desiderati. 2.2 Analisi del motore Stirling La produzione termica ed elettrica del motore Stirling verranno esaminate nel dettaglio, in particolare verrà calcolato il rendimento termico, elettrico e complessivo dell impianto durante le diverse condizioni di funzionamento; verrà poi testato il funzionamento del motore con diverse pressioni di elio, con diverse temperature dell acqua di raffreddamento utile per la rete di teleriscaldamento e con diverse temperature della camera di combustione. 2.3 Analisi del sistema nel suo complesso Verranno analizzate le caratteristiche più importanti dei fumi in uscita dal camino, attraverso una serie di misure fatte durante il funzionamento in continuo, tutte le concentrazioni più importanti di inquinanti atmosferici verranno calcolate attraverso una apposita strumentazione, come ad esempio: CO, NO 2, NO x, SO 2. Tutti questi valori di concentrazione verranno messi in relazione alla reale quantità di ossigeno rilevata all interno dei fumi in uscita durante il test, tutti i valori ottenuti verranno standardizzati in riferimento alla stessa percentuale di ossigeno, verranno digitalizzati in formato Excel e verranno costruiti i grafici riassuntivi. Alcuni rilevamenti delle polveri verranno fatti durante il funzionamento a regime dell impianto, in questo modo sarà possibile valutare anche il quantitativo di polveri nei fumi, che potrà essere uniformato alla stessa quantità percentuale di ossigeno, completando il quadro generale delle emissioni. 6

7 Inoltre durante un periodo più esteso di funzionamento sarà possibile calcolare i consumi di legno insieme all umidità della biomassa stessa, in modo da poter fare un bilancio energetico complessivo dell impianto. Di conseguenza potranno essere calcolati alcuni parametri chiave dell impianto, come ad esempio il rendimento termico ed elettrico reale in fase di funzionamento in continuo. 2.4 Test con differenti tipi di biomasse Uno dei vantaggi maggior nell utilizzare il processo di gassificazione è la possibilità di utilizzare combustibili solidi differenti, infatti il processo termico che si attua all interno del gassificatore è caratterizzato da condizioni fisiche e chimiche tali da far pensare alla possibilità di utilizzare biomasse di diversa matrice, oltre al cippato di legno, senza avere così tanti problemi riscontrati invece negli impianti di combustione diretta come le caldaie. Il programma è quello di provare la gassificazione di una mistura di due diversi tipi di materiali: il cippato di legno ed un altro tipo di biomassa vegetale ottenuta come sottoprodotto dell industria alimentare. Come primo tentativo la percentuale di cippato di legno all interno della mistura potrebbe aiutare a conoscere meglio il processo, dando un risultato più standard. Dall analisi delle ceneri e del gas ottenuto sarà possibile capire se le differenti biomasse introdotte possano dare un buon risultato nella produzione di un gas con sufficienti caratteristiche qualitative, senza causare problemi ai sistemi di estrazione delle ceneri, così da poter meritare una analisi più approfondita in vista di prossime realizzazioni. 7

8 3 STRUMENTAZIONE NECESSARIA Tutto il lavoro potrà assumere un valore ufficiale e scientifico solo se questo verrà supportato da dati estremamente esatti, ottenuti con strumentazioni di elevata qualità e certificati secondo i maggiori standard Europei, come le Norme UNI-EN e DIN. In queste condizioni la relazione finale potrà essere anche valida per dimostrare la reale affidabilità della tecnologia ed aiutare le approvazioni da parte delle Autorità locali, aiutando il diffondersi di tecnologie innovative, principale obiettivo del progetto. Si riassumono di seguito le caratteristiche degli strumenti necessari alla campagna di monitoraggio e la reperibilità di ciascuno in funzione delle caratteristiche minime prestazionali necessarie. 3.1 Analisi del gassificatore Per comprendere meglio le reazioni che si sviluppano all interno del gassificatore è necessario installare una serie di termocoppie connesse ad una centralina di conversione ed archivio, questi sensori dovranno poter misurare temperature da 0 a C, ognuno di questi dovrà essere fissato a ll interno di un pozzetto in acciaio inox appositamente realizzato all interno del gassificatore, in questo modo ogni sensore potrà essere in grado di captare la temperatura ad una distanza di 300 mm o più dalla superficie esterna, sono necessari un minimo di 5 sensori. La situazione ottimale per rendere questa analisi estremamente efficace è quella di integrare questa centralina di rilevamento nel quadro elettrico di gestione dell impianto, in questo modo tutti i dati rilevati potranno essere archiviati nello stesso formato di quelli già rilevati dal sistema, si potrà così ad esempio mettere in relazione le temperature rilevate nel gassificatore con i parametri caratteristici del motore e della camera di combustione, potendo comparare i grafici di lavoro secondo un unico sistema di gestione elettronica. Inoltre in questo modo potrà essere possibile visualizzare i valori di funzionamento di cui sopra in telecontrollo, agevolando notevolmente il lavoro. 8

9 Questa centralina elettronica di analisi deve essere compatibile con il quadro elettrico di controllo del sistema, per poterla integrare correttamente è necessario di conseguenza che il lavoro possa essere svolto direttamente dalla ditta produttrice del suddetto sistema, che così potrà modificare il software in dotazione per includere i valori rilevati, ottenendo in definitiva un lavoro eseguito nel miglior modo possibile. Dato che questo tipo di apparecchiature e sonde che analizzano temperature particolarmente elevate deperiscono in tempi piuttosto veloci, si ritiene opportuno l acquisto diretto, senza il noleggio che darebbe maggiori difficoltà nella sostituzione dei pezzi e dei componenti usurati. A tal fine si è richiesto un preventivo per l installazione di tutto quanto di cui sopra alla ditta fornitrice dei quadri elettrici di automazione dell impianto, i prezzi riportati risultano essere in linea con quelli di mercato. 3.2 Analisi del gas di legno: Per conoscere meglio le caratteristiche del gas prodotto dal gassificatore al variare delle condizioni operative è necessario installare un analizzatore in grado di scindere il gas di legno nelle sue diverse componenti gassose combustibili, calcolando anche la percentuale di ogni singola componente. Per la fornitura di questo tipo di analizzatore si è resa disponibile la Stirling Danmark, che si occuperà del reperimento delle apparecchiature necessarie, dell installazione e di tutto quanto necessario per condurre le prove secondo le prescrizioni qualitative richieste. 3.3 Analisi dei fumi: Per quantificare con precisione l impatto delle emissioni in atmosfera è necessario attrezzare il sistema con un analizzatore per fumi, questo deve essere in grado di rilevare il contenuto di CO, NO 2, NO x, SO 2, O 2 e memorizzare i dati delle misurazioni in una memoria esterna estraibile, in modo da poter convertire i dati in formato Excel. Questa strumentazione può essere montata da una ditta specializzata nel campo dei sistemi di combustione tradizionali, deve avere caratteristiche qualitative 9

10 superiori ai normali sistemi di analisi dei fumi per permettere una corretta valutazione degli NOx, prodotti di combustione solitamente trascurati nei sistemi di combustione a gas metano, ma che nel caso specifico risultano particolarmente interessanti a causa delle condizioni di lavoro ad elevata temperatura con aria fortemente preriscaldata; risulta quindi indispensabile una strumentazione che presenti un sistema di raffreddamento di tipo Peltier o similare in caso di temperature dei gas di scarico eccessive ed una sonda di estrazione per le analisi riscaldata e specificatamente garantita per le analisi in continuo di NO ed NO 2. Dopo aver condotto in via preliminare una ricerca di mercato sui sistemi di analisi degli effluenti gassosi che meglio si addicessero a tali caratteristiche, dati i tempi ristretti del progetto e dopo aver verificato le disponibilità delle maggiori ditte che possano garantire tali misurazioni con i suddetti standard qualitativi, si è individuata la Ditta CZ impianti idrotermosanitari come fornitore della tecnologia necessaria ad un corretto sviluppo del lavoro. A questa si è richiesto un preventivo per il noleggio dell apparecchiatura tipo ECOM J2KN che particolarmente si presta agli obiettivi dello studio oggetto della presente relazione, il preventivo richiesto include il montaggio, l assistenza, la manutenzione e tutto il necessario per il corretto svolgimento delle analisi, per un tempo che si ritiene sufficiente ad un corretto monitoraggio dell impianto. Dopo una attenta valutazione dei prezzi di mercato, sulla base delle caratteristiche qualitative dei sistemi e dei servizi offerti, si ritiene che il prezzo offerto sia congruo. 3.4 Analisi dell umidità del legno: Al fine di quantificare il contenuto energetico della biomassa in ingresso all impianto è necessario valutarne con precisione l umidità. Di conseguenza è indispensabile attrezzare la campagna di monitoraggio con un piccolo forno di essiccazione ed una bilancia di precisione, il test dell umidità del legno verrà effettuato in modalità casuale durante un periodo di tempo prestabilito e durante il funzionamento a regime con lo stessa fornitura di legno, in modo da realizzare una indagine statistica, che possa definire la percentuale di umidità con ragionevole precisione. Questi strumenti sono comunemente reperibili in negozi specializzati. 10

11 3.5 Valutazione della corrente elettrica prodotta: Per questo calcolo è necessario un comune strumento per il calcolo dell amperaggio ed i valori caratteristici della corrente. Questa strumento è reperibile facilmente presso qualsiasi rivenditore specializzato. 3.6 Valutazione del calore prodotto: La produzione di calore è già calcolata dal conta-calorie Kamstrup che risulta avere caratteristiche qualitative sufficienti, tutti i dati rilevati saranno memorizzato direttamente dal PLC Siemens presente nella cabina elettrica dell impianto. 3.7 Perdite termiche dalle superfici esterne: Sarà necessario un termometro digitale ad elevata precisione per il calcolo della temperatura di ogni componente e dei macchinari durante il funzionamento. Questa strumento è reperibile facilmente presso qualsiasi rivenditore specializzato. 3.8 Termografia: Verrà svolta un indagine con telecamera ad infrarossi per valutare le maggiori perdite termiche dei vari componenti e la temperatura delle connessioni elettriche. La strumentazione necessaria verrà messa a disposizione dal Consorzio CO.SE.A., che si occuperà della rilevazione diretta ad infrarossi secondo le prescrizioni qualitative indicate. 11

12 4 PROGRAMMA E TEMPI Maggio Giugno Luglio Ago. Sett. Ott. Nov. Dic. Gen. Feb. Mar. Mag. Reperimento della strumentazione F.+G. F.+G. F.+G. F.+G. Preparazione dei sensori per il F. F. Installazione dell'analizzatore del gas di legno F.+G. Test dei sensori F.+G. Analisi del motore in differenti F.+G. Analisi del gassificatore in differenti condizioni F. F. Test con diversi titpi di legno e di umidità F. F. F. F. Test dei fumi F.+G. F. F. F. F. F. F. Analisi della qualià del gas di legno Rendimento complessivo e valutazione delle perdite termiche F.+G. F. F. F. F. F. F. F. F. F. F. Test con differenti tipi di biomasse F.+G. Revisione dei dati e costruzione dei grafici F.+G. Monitoraggio funzionamento continuo e valutazione dei Produzione letteraria F. F.+G. Filippo Marini Filippo Marini e Gerald Marinitsch Filippo Marini e Università/ENEA Lavoro d'ufficio Presenza presso l'impianto 12