Technologia per motori a gas per gas da legna ed esperienze da impianti realizzati

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1 Technologia per motori a gas per gas da legna ed esperienze da impianti realizzati B.T.S Syngas Montichiari Dr. Günther Herdin

2 Efficienza di varie tecnologie Efficienza del carburante el.+term. Processo a vapore (turbina) 5.2 MW FP Gassificazione con motore a gas 2-8 MW FP Processo ORC 4.5 MW FP Efficienza elettrica netta [%] source: EVN; Jenbacher; PGES

3 Efficienza biomassa Centrale termica [%] 1 MW el. 5 MW el. 20 MW el. Modo cogen. Efficienza carbur. (turbina a contropressione) Modo cogen. Impianto a condensa Fonte: Fichtner Studie 4/2002

4 Principi della gassificazione Fonte: agnion Technologies

5 Influenza dell umidità della biomassa sull efficienza elettrica Fonte: renet Güssing

6 Stato dell arte della tecnologia di gassificazione Gassificazione diretta(autotermica) : (Gassificazione tradizionale) Rilasciodicalore(combustioneparziale) e gassificazione in un reattore Diluizione del singas prodotto tramite gas di scarico della combustione parziale Singas con potere calorifico basso La produzionedisng (Synthetic Natural Gas) a basso costonon è possibile Su misuraper ogniprogetto Gassificazione e rilascio di calore in reattori separati Gassificazione indiretta(allotermica): (Agnion Heat Pipe Reactor) Reattore separato per rilascio di calore (camera di combustione) e reattore di gassificazione(reformer) Gassificazione con vapore(steam reforming) Singas non diluito RapportoH 2 /CO idoneoper produzionesng Prodotto a bassissimo costo Gassificazione e rilascio di calore in reattori separati Fonte: agnion Technologies 6

7 Confronto della qualità del singas autotermico con l esempio aria/allotermico Heatpipe Reform Composizione del gas [%] CH4 Fonte: agnion Technologies Beneficio per l efficienza del motore ~ 1,5%

8 Composizione di vari gas di pirolisi Volume [%] Agnion HPR 2SV Harboore Civitas Nova Prüfling Fonte: GEJenbacher/agnion

9 Motorea ottoa gas gas compressore intercooler aria valvola motore turbina scatola di accensione

10 Motore con accensione Diesel Pilot regolatore portata aria compressore intercooler (valvola) motore turbina pompa Iniez.

11 Efficienza netta dei vari concetti in relazione al contenuto energetico di gas pirolitico [%]

12 Confronto di vari concetti di gassificazione [%] Fonte: renet, Solenia, Wilcox Babcock, Agnion Technologies

13 Microturbine atm. Gasification Issue Compr. Power Relation Power needs for Pressure and Volume volume [m³/min] 150 kw 132 kw Fonte: Ingersol Rand Sierra Product Line

14 Tecnologia motori a gas MPI Premessa: Carica di pressione del singas su 5 bar(a) Sovralimentazione con turbosoffiantedel motore a gas Iniezione del singas dopo turbocompressoer e Intercooler Valvole di iniezione dalla tecnologia dei motori a idrogeno (Hörbiger) Provoca: 100% elusione problema catrame a via di regolazione del gas, turbocompressore e Intercooler Elusione problema esplosione in caso di reinnesco tramite iniezione diretta prima della camera di combustione Aumento dell efficienza del motore tramite turbosoffiante a 3,4 bar(a) (Downsizing) Fonte: agnion Technologies

15 Potenziale di Port Injection Gasmischung nach Kompressor vor Kompressor 0,42 15 measured with ref. gas 1 BMEP = 8,6 bar Wirkungsgrad [-] 0,40 0,38 0, Mitteldruck [bar] ,70 1,90 2,10 Lambda [-] Ladedruck [mbar] Fonte: agnion Technologies

16 Agnion motore singas versione: agnion MPI versione: agnion SPI Fonte: agnion Technologies 16

17 Condizione uscita formazione miscela nel tubo di aspirazione senza dispositivo di omogeneizzazione Aria Singas Fonte: agnion Technologies

18 Ottimizzazione dell omogeneizzazone prima della valvola di immissione tramite ugello di miscelazione Aria Singas Fonte: agnion Technologies

19 Confronto efficienza Pfaffenhofen Pilot Plant MAN 2876 Origin/agnion motore singas. efficiency [%] 5 % ¼ TA-Luft 36 ppm NOx TA-Luft 180 ppm NOx potenza [kw] Fonte: agnion Technologies

20 NO X generazione vari carburanti Emissione NO X [g/kwh] ricco povero idrogeno Limiti poveri NG benzina H 2 /N 2 miscela (16/84 %vol.) Rapporto A/F Fonte: GEJenbacher

21 Andamentoefficienzadi potenzaman 2842 E312 (Lambda 1) ed escercizio con Lambda 1,35 TA-Luft Efficienza [%] Lambda mg NOx/nm³ Lambda NOx = ~ 6000mg/nm³ Gas da legna Hu = 1,85 kwh/nm³ Fonte: MAN, 2g 21

22 Curva effettiva MAN 2876 SAE C Temp. olio Potenza effettiva [kw] Velocità [rpm] Fonte: 2g-drives 22

23 Scissione termica catrame (Nexterra)/purificazione secca del gas > 20g Σtar/nm³ < 1g Σtar/nm³ > 1000 C Al motore conforme TA Fonte: Nexterra/PGES 23

24 Impianto Nexterra 2 MW UBC, controllo pressione cicl. Sensore pressione a cilindro tipo Kistler Emissioni prima di OXI Catalyst@ Lambda 2,197 NOx = 19 ppm CO = 1064 ppm CH4 = 41 ppm Fonte: Nexterra; PGES 24

25 Composizione gas Güssing stato Fonte: renet/pges 25

26 Agnionmotorea singasconcettodi regolazione Closedloop Fonte: agnion Technologies

27 Concetto Güssing con lavaggio gas RME Güssing durata motore > ore Fonte: renet Güssing 27

28 Spiez Qualità del gas di legna 25 Produktegas Rohgas mol% ohne N CO H2 CH4 CO2 O2 N2 12:00 14:00 16:00 18:00 20:00 22:00 0:00 2:00 4:00 6:00 8:00 10:00 12:00 14:00 Uhrzeit [hh:mm] mol% N2 Fonte: Pyroforce/PSI

29 Emissioni senza controllo del rapporto A/F CO, NO X [mg/nm³] O 2 [% vol. ] O 2 CO NO X time Fonte: Hydrotest AG Pyroforce

30 Efficienza motore gas di legno vs. carico e NO x efficiency BMEP 14 bar, 800 mg NO x /sm³ carico massimo vicino al limite di accensione anticipata e deton. BMEP = 9 bar, 90 mg NO x /sm³ motore lavora vicino al limite di carico BMEP 12 bar 450 mg NO x /sm³ fuel: H 2 = 16 %, CO = 26%, CH 4 = 1,5 % Carico [%] Fonte: lezione Herdin, GEJ varie presentazioni, impianto Harboore

31 Fasatura dell accensione ed emissioni NOx NO x, CO, C x H y Motorabgas 5% O 2 ] emissions[mg/sm³@5%o2] CO CO NOx NOx CxHy CxHy ZZP bei NH 3 -Messreihe λ= NOx 19 KW 1.19 v.ot CO CxHy fasatura[ CA btdc] Zündzeitpunkt (ZZP) [ KW v.ot] ZZP 25 & 30 λ = 1,27 λ= 1.27 source: IWT/LEC/GEJ Quelle: IWT-TUG / LEC / GE J. Gasmotor GE J156, in Teillast bei 42 kw el Treibgas: Holzgas aus Gestufter Vergasung "CleanStGas", IWT, TU Graz, Holzgaszusammensetzung: H 2 24,0 v% tr, CO 16,5 v% tr, CH 4 1,0 v% tr, CO 2 14,5 v% tr (alle trockene Basis), Rest N 2. H 2 O 5,5 v% tr. λ 1,17 (bis auf ZZP 25 /30 )

32 Catalizzatore Oxi test Güssing 5%O2] Fonte: GEJ varie presentazioni

33 Gas di legna & emissioni analisi WILA contenuto [%] O2 w/o cat 3000 H2 CO CH4 CO limit NOx limit with cat CO Emissioni NOx Fonte: WILA

34 Problemi di potassio rilevazione nell olio motore 500, ,00 300,00 200, /310 h 273/200 h Potassio[ppm] lavaggio acqua & purificazione gas basata su trucioli di legno 100,00 0,00 100,00 200,00 300, /320 h 4/250 h 9/1000 h 3/350 h Purificazione gas basata su filtri trattati a secco o ESP 400,00 500, Waukesha Austria Cummins India Fe da usura in olio motore [ppm] Guascor Spagna Jenbacher Danimarca Jenbacher Svizzera Jenbacher Svizzera Fonte: GEJ diff. presentatinons

35 Esempio di analisi d olio (catalizzatore) Non OK per catalizz., Purificazione del gas non è abbastanza Fonte: GEJ diff. presentatinons

36 Esempio di analisi d olio (catalizzatore) OK per catalizzatore Fonte: GEJ diff. presentatinons

37 Conversione NH3 a NOx ConfrontoNG con gas dilegna 3500 NOx im Motorabgas 2 ] Gasmotor GE J156, in Teillast bei 50 kw el Holzgas Erdgas Quelle: IWT-TUG / LEC / GE J NH 3 -Beladung im Gemisch [ppm] Fonte: GEJ diff. presentatinons

38 Influenza di NH3 sulle emissioni di NOx NOx % O2] NOx limite TA-Luft = 500 mg Güssing 440 mg NH3 Jenbacher 2 MW Harboore <5 mg NH3 Jenbacher 1.4 MW Spagna 4600 mg NH3 Guascor 160 kw Balingen 2010 mg NH3 Liebherr 90 kw Fonte: GEJ diff. presentatinons

39 Gassificazione di biomassa - HarbØØre/Dk HarboØre/Dk 2 x JMS 320 GS S.L Gassificatore a corrente ascendente Potenza 2 x 765 kw Gas di legna: H % CH 4 3-5% CO 25-28% CO % N % LHV 6.85 MJ/sm³ Fonte: GE Jenbacher

40 Gassificazione di biomassa - HarbØØre/Dk Stato impianto pilota 12/2007: motore n. 1. ore motore n.2. ore /2011 ogni motore più di h Fonte: GE Jenbacher

41 Gas di legna India Ankur Cliente Ankur gasifier test (Ankur facilities) sistema di purificazione gas (secco) dopo il lavaggio umido L olio presenta 218 mg K/400 h!!!

42 Gassificatore a letto fluido Spain (Almond Shells) ENAMORA - Mora de Ebro (Tarragona) operation 12/06 gasifier h engines h K in oil 2 mg/kg no wear NH3: ppm NOx Waukesha/Guascor: 4560 mg O2 (lean limit)

43 Problemi di potassio nel turbocompressore (2440 h di esercizio) impianto pilota in Austria Fonte: PGES

44 Condizione elementi ore Spiez (2) Fonte: GE Jenbacher

45 Condizione elementi ore Spiez (3) Fonte: GE Jenbacher

46 In causa propria Die Fördergesellschaft Erneuerbare Energien (FEE e.v.) è la rete più attiva e più grande in Germania che si dedica alla gassificazione di biomassa. Focus: Incontri periodici Convegni internazionali Progetti di ricerca Sondaggi Guide del settore ecc.

47 Riassunto La gassificazione delle biomasse e la produzione di corrente tramite un motore a gas è la forma più effettiva della conversione L utilizzo di turbine a gas (microturbine) riduce l efficienza di conversione sotto il 20 %, dato che la compressione di un gas povero a seconda del concetto di gassificazione necessita fino al 18 % della corrente prodotta Con un utilizzo massimo della biomassa tramite combinazione calore forza in caso di processi a vapore le efficienze sono a seconda della dimensione del sistema al di sotto del 15 % Le emissioni Nox di moderni motori a gas sono chiaramente sotto i valori TA-Luf, per la riduzione delle emissioni di CO la purificazione del gas deve essere eseguita seguendo lo stato dell arte della tecnica In ogni caso il trattamento del gas è molto importante, dato che ha un influenza sulla funzione dell intero impianto e sulla sua durata d esercizio. Oltre al catrame anche l NH3 e il potassio devono essere eliminati nel miglior modo possibile 47