Impianto di cogenerazione Castel d Aiano. Progetto preliminare. A cura di: Dott. Ing. Filippo Marini

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1 Impianto di cogenerazione Castel d Aiano Progetto preliminare A cura di: Dott. Ing. Filippo Marini Castel di casio, giugno 2007

2 Impianto di cogenerazione Castel d Aiano Progetto preliminare A cura di: Ing. Filippo Marini Castel di Casio, giugno

3 GENERALITÀ Nell ambito del progetto CISA in collaborazione con CO.SE.A. per la diffusione di tecnologie innovative legate alla produzione di energia da fonti rinnovabili, nel rispetto dell ambiente e per l avvio di una filiera completa del legno proveniente dalla gestione forestale, si prende in esame la possibilità di realizzare un impianto di cogenerazione da cippato di legno nel Comune di Castel d Aiano. In Europa la produzione combinata di calore ed energia elettrica di piccola taglia, attraverso l utilizzo di un combustibile rinnovabile come il cippato di legno, è ancora un settore in cui non sono presenti numerose esperienze. Lo sviluppo di un sistema di cogenerazione di piccola taglia offre numerosi vantaggi di carattere sia ambientale che di sostenibilità; istallare infatti un impianto centralizzato che possa contribuire a soddisfare il fabbisogno elettrico e termico di piccoli insediamenti abitativi, complessi sportivi, scolastici o ricreativi anche in zona montana, permetterebbe una sicura diffusione della tecnologia con conseguenti benefici sull occupazione e la valorizzazione delle risorse locali dell Appennino Tosco-Emiliano, sulla produzione di energia rinnovabile distribuita nel territorio e sull avvio di filiere agricole e forestali. L impianto previsto e descritto nella seguente relazione è senza alcun dubbio un impianto pilota fortemente innovativo, primo in Europa a far coesistere due tecnologie considerate all avanguardia per la produzione di energia da biomassa, la gassificazione con i motori a combustione esterna di Stirling. L obiettivo finale quindi non è solo quello di dimostrare la fattibilità di sistemi di cogenerazione di piccola taglia in zona montana, ma anche quello di introdurre nuove tecnologie indicando una nuova strada per il futuro. A tale scopo si propone che i valori specifici di funzionamento vengano registrati in continuo da un processore ed elaborati dall ENEA, che viene proposto come Ente di ricerca e supervisione dell intero progetto, in modo da valutare la replicabilità e le possibilità di sviluppo di queste tecnologie. Il ruolo dell ENEA si collocherebbe quindi all interno di progetti a forte caratterizzazione innovativa, sui quali disporre di una banca dati ed un bagaglio di esperienza che andrebbero ad arricchire gli studi e le ricerche già avviati sull utilizzo delle biomasse ai fini energetici, in analogia alle attività legate alla produzione di energia dal sole ed agli interventi sul risparmio energetico in edilizia, dove il Parlamento ha indicato l ENEA come osservatorio sui dati di adesione e per il calcolo dell effettivo risparmio energetico prodotto dalle applicazioni dei Decreti previsti nella Finanziaria

4 ANALISI TECNICA SULLE STRUTTURE ESISTENTI Gli edifici più importanti fanno parte del complesso delle scuole elementari e medie, che è piuttosto ampio ed attualmente riscaldato tramite la combustione diretta del metano in caldaie di vecchia generazione e di scarsa efficienza; di conseguenza l intervento oltre ad introdurre un sistema ad energia rinnovabile determina un notevole risparmio energetico complessivo ed un adeguamento dell impianto ad una più moderna concezione del calore e dell energia più in generale. Il complesso scolastico comprende i seguenti spazi ad uso sportivo, didattico, ricreativo e per il pranzo: Aule scuola elementare e scuola media Palestra, in un edificio autonomo distante poche decine di metri dal corpo centrale dell edificio scolastico. Refettorio Locali tecnici e di archivio, comprendono i vani per ripostiglio i corridoi presenti nei piani principali, l archivio e la centrale termica. La centrale termica è ampia e permette agevolmente gli interventi di lavoro e l installazione degli scambiatori di calore e dei sistemi di distribuzione necessari. Attualmente i circuiti termici sono due e collegati direttamente a due caldaie distinte: 1. Caldaia a metano a due bruciatori, potenza nominale massima 572 kw al servizio dell edificio principale 2. Caldaia a metano, potenza nominale 286 kw al servizio della palestra e del boiler per l acqua calda sanitaria 4

5 Entrambe le caldaie sono piuttosto datate seppur in buone condizioni, data l età e l isolamento termico scarso si ipotizza un rendimento di produzione del calore pari all 85% a fronte di quello dichiarato dal costruttore del 90%. Di seguito si riporta uno schema riassuntivo dei dati di consumo riferiti ai due circuiti, il consumo annuo di metano (e di conseguenza il calore prodotto) è stato stimato dai dati storici. Palestra Media annuale KWh/anno ceduti all'edificio Consumo massimo mensile Consumo massimo giornaliero mc kwh/anno mc metano kwh 134 mc metano kwh Scuola Media annuale KWh/anno ceduti all'edificio Consumo massimo mensile Consumo massimo giornaliero mc kwh/anno mc metano kwh 194 mc metano kwh Oltre a queste strutture nelle vicinanze è presente lo spogliatoio del campo sportivo, che attualmente ospita una piccola centrale per la sola produzione di acqua calda sanitaria a partire da GPL, senza climatizzazione degli ambienti. Poco più distante c è la piscina scoperta, che viene utilizzata in estate e che perciò attualmente non ha alcun sistema di riscaldamento, si deve considerare però che sebbene nel periodo estivo il clima risulta mite, molti utenti della piscina si lamentano per la temperatura troppo bassa dell acqua ed avere la possibilità di innalzarla di qualche grado centigrado potrebbe portare notevoli benefici. 5

6 La rete di teleriscaldamento verrà realizzata in più fasi successive, in principio si allacceranno le strutture maggiori come le scuole e la palestra ed in seguito verrà realizzato il ramo di rete che potrà allacciare gli spogliatoi e la piscina. DESCRIZIONE SINTETICA DEL FUNZIONAMENTO Il sistema di cogenerazione previsto si schematizza in due fasi distinte ed al contempo unite da una consequenzialità di flussi di massa nei diversi stadi, che ne caratterizzano il processo; di seguito si descrivono le due fasi separatamente, si deve tenere presente però che, a causa della particolarità dei meccanismi in gioco, la linea di processo deve essere mantenuta costantemente per non interferire nei cambiamenti di stadio e nei vari cicli termodinamici. Le due fasi inoltre sono collegate ad anello l una all altra, dove ciascuna fase utilizza i prodotti della precedente come in una catena chiusa di reazioni. Nel complesso l impianto quindi è caratterizzato dalla necessità di una continuità di funzionamento e da una serie di parametri che si devono mantenere immutati in ogni condizione; in particolare è necessario svincolare la produzione di energia elettrica, che essendo ceduta direttamente in rete non risentirebbe di particolari modifiche nella propria intensità, dalla produzione di calore, che invece risente delle variazioni tipiche di una piccola rete di teleriscaldamento, cercando al contempo di dissipare la minor quantità possibile di calore. Prima fase: gassificazione La maggior parte dei componenti che costituiscono il legno possono essere resi gassosi, questo processo viene chiamato gassificazione perchè appunto trasforma il combustibile solido in gas combustibile a basso potere calorico. Il meccanismo è relativamente semplice e si basa sulla combustione parziale del legno, ottenuta facendo filtrare una miscela calda di residui di combustione, che servono come veicolo inerte, ed ossigeno in bassa percentuale, che invece serve come comburente per alimentare la combustione parziale stessa, che viene così controllata variando la percentuale di ossigeno nella miscela. 6

7 Il gas ottenuto in questo modo viene comunemente chiamato syngas o gas di gasogeno, a seconda di come viene estratto dal gassificatore avremmo le due tipologie principali: gassificatori down-draft e gassificatori up-draft. Nei primi il gas viene estratto dal basso ed esce ad una temperatura piuttosto alta, funzione della temperatura di combustione parziale e quindi funzione della tipologia di materiale in ingresso, successivamente il gas deve subire una serie di complessi meccanismi di depurazione prima di poter entrare in un motore a combustione interna; normalmente questo tipo di gasogeni sono adatti a trattare solo materiale con umidità inferiore al 15%. Nei secondi il gas viene invece spillato dall alto, in questo modo prima di uscire è costretto a filtrare attraverso il cippato di legno, riscaldandolo ed asciugandolo e preparandolo così alla combustione parziale; il risultato è quello di un gas a temperatura nettamente più bassa e con un carico di aerosol che lo rende adatto alla combustione in un bruciatore; in questo tipo di gasogeni il combustibile legnoso può avere umidità superiori al 60%. Seconda fase: cogenerazione con motore Stirling Il gas prodotto nella prima fase viene miscelato con aria prerisacldata ad alta temperatura e bruciato in una camera di combustione, il calore prodotto viene ceduto alle teste calde del motore Stirling, che così compie il proprio ciclo termodinamico producendo energia meccanica ad un albero e acqua calda per le rete di teleriscaldamento. L energia meccanica verrà poi convertita in elettricità attraverso un generatore di corrente a magneti permanenti. I gas combusti verranno in parte deviati al gassificatore che li utilizzerà per il proprio ciclo termodinamico chiudendo il ciclo, ed in parte deviati in un economizzatore che li raffredderà prima di espellerli dal camino, fornendo un ulteriore quota di calore utile al teleriscaldamento. Durante la combustione si raggiungono temperature estremamente elevate, calcolate in C alla fiamma e circa in 800 C sullo scambiatore del motore Stirling, temperature così alte permettono la completa ossidazione dei residui di gassificazione, garantendo fumi estremamente puliti, con bassissimo contenuto di polveri e con concentrazioni di residui incombusti pressoché trascurabili. 7

8 Schema di funzionamento Di seguito di riporta uno schema sintetico del funzionamento complessivo, dove si sono evidenziate le temperature nei vari stadi. 8

9 Il syngas Il gas ottenuto dalla gassificazione con gasogeni up-draft a partire da legno cippato ha un basso potere calorifico ed è principalmente costituito da monossido di carbonio e azoto, di seguito si riportano i componenti principali che determinano il potenziale energetico di combustione ed i valori percentuali attesi in fase di funzionamento a regime dell impianto. PCI 1,6 kwh/kg CO 20% H2 5% CH4 2% CO2 16% 9

10 DIMENSIONAMENTO DELL IMPIANTO E DATI TECNICI PRINCIPALI L impianto è stato previsto in una zona isolata e relativamente distante dalle scuole, all interno dell area verde sul retro dell edificio. La centrale di cogenerazione si collocherebbe in un ambiente alberato senza alterarne le caratteristiche ambientali e paesaggistiche dimostrando la possibilità di inserire tali sistemi anche in zone destinate a vede con un minimo impatto ambientale ed in assoluta sicurezza. Inoltre in questo caso si può realizzare un accesso alla centrale totalmente indipendente, in modo da non influire sulle attività didattiche e ricreative delle scuole e permettere le operazioni di scarico del cippato attraverso una pista a questo specificatamente dedicata. 10

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12 Ovviamente sia la struttura edile, sia i macchinari previsti devono garantire i più recenti standard di sicurezza contro il rischio di incendio e di infortunio, inoltre l accesso alla centrale deve essere adeguatamente protetto. Il dimensionamento è stato eseguito in modo tale che la maggior parte del calore prodotto venga utilizzato per la climatizzazione degli ambienti, minimizzando le dispersioni di calore nel periodo invernale. Dai calcoli eseguiti a partire dai valori di consumo stagionale di metano è emersa la necessità di un sistema che fornisca circa 140 kw termici utili, in funzione di questo valore si è poi calcolato il volume di accumulo necessario per garantire il fabbisogno energetico degli edifici riscaldati. Nel grafico seguente è rappresentata la richiesta termica oraria con l attuale regolazione dei circuiti, in fase di esercizio con la nuova tecnologia proposta questa regolazione dovrà essere programmata diversamente per venire incontro alle esigenze del sistema di cogenerazione; si deve comunque tenere presente che il vecchio sistema di generazione del calore non verrà smantellato, ma potrà comunque essere utilizzato per coprire un particolare picco di richiesta termica a causa di una stagione eccezionalmente fredda o per dare continuità alle utenze nelle fasi di manutenzione ordinaria o straordinaria. ANDAMENTO DELLA RICHIESTA DI POTENZA TERMICA ATTUALE DEGLI EDIFICI kw 250 Gennaio 200 Novembre Dicembre 150 Febbraio 100 Marzo 50 Aprile Ottobre ORA 12

13 La taglia ottimale prevista in fase preliminare è di 140 kw termici, con un serbatoio di accumulo di litri, che possa accumulare calore sotto la forma di acqua calda alla temperatura di 75 C ed erogarla per coprire il picco di richiesta del mattino. Il sistema così previsto sarà sufficiente a garantire il calore necessario; una volta realizzata la rete di teleriscaldamento si deve comunque considerare che in fase di regolazione dei circuiti secondari, sarà necessario cedere calore a bassa temperatura alle scuole durante la notte, facendo assumere all edificio la funzione di volano termico per non richiedere troppa energia al mattino. Per fare questo la pompa della rete di teleriscaldamento deve lavorare un numero di ore annue piuttosto elevato, al fine di diminuire i consumi energetici si dovrà quindi prevedere una pompa a controllo elettronico e caratteristiche delle tubazioni interrate tali per cui siano minime le perdite di carico. Potenza oraria ceduta dalla rete di telrriscaldamento Gennaio Aprile Ottobre kw 200 Potenza massima impianto ORA 13

14 Bilancio energetico nel giorno più freddo dell'anno kw ORA Energia erogata Calore ceduto dall'accumulatore Calore assorbito dall'accumulatore Lineare (Potenza massima caldaia) In queste condizioni di funzionamento la potenza elettrica erogata prevista sarà di 35 kw al netto degli autoconsumi e sarà ceduta direttamente alla rete elettrica in bassa tensione. L impianto funzionerà in continuo senza necessità di supervisione e controllo in loco da parte di personale specializzato, ma necessiterà di una manutenzione programmata circa ogni ore di lavoro. Le ceneri verranno prelevate automaticamente da una coclea e depositate in un apposito contenitore, in questo modo la presenza di personale potrà essere limitata ad una sola ora la settimana per un controllo generale dei dispositivi di sicurezza e per svuotare il contenitore delle ceneri. 14

15 FABBISOGNO DI COMBUSTIBILE Il consumo di legno viene stimato in circa 60 kg/ora, questo valore si può ritenere valido per un umidità del 35% e per legno in cui la presenza di ramaglie e corteccia non sia troppo elevata. Se supponiamo invece di fornire all impianto una qualità del combustibile solido inferiore e cioè con una certa presenza di cortecce o ramaglie e senza stagionatura, a cui corrisponde un umidità del 50-60%, il consumo orario può salire fino a 95 kg/ora. In fase preliminare considereremo una situazione intermedia, in cui il legno a disposizione potrà essere di qualità ed umidità variabile e fissiamo un consumo orario di 75 kg/ora. Il fabbisogno annuo è funzione del numero di ore in cui l impianto rimane in funzione, inizialmente supponiamo ore/anno, in questo modo il fabbisogno annuo di cippato previsto è di 435 tonnellate ed ogni settimana il sistema consumerebbe un volume equivalente di cippato pari a circa 45 m3. Produzione energetica In funzione delle ipotesi fatte il quantitativo di energia elettrica ceduta in rete viene stimato in 203 MWh/anno, mentre il calore ceduto agli edifici in 480 MWh/anno, sotto forma di acqua calda alla temperatura minima di 65 C. Richiesta termica complessiva Calore erogato dall'impianto di cogenerazione Calore ceduto agli edifici kwh Fabbisogno in Gennaio, mese più frddo kwh kwh kwh kwh Fabbisogno nel giorno più freddo 15

16 Per quanto riguarda la produzione di energia elettrica si deve considerare che si prevede un funzionamento continuo dell impianto, come si osserva infatti dalla tabella che riassume i valori termici annui e nel periodo più freddo, il dimensionamento risulta perfettamente compatibile con le utenze termiche allacciate dalla rete di teleriscaldamento, l impianto infatti potrà cedere tutto il calore prodotto per un periodo relativamente lungo e di conseguenza non dovrà modularsi riducendo la propria potenza a regime per una diminuzione di richiesta termica, ma disperdendo un po di potenza all inizio ed alla fine della stagione di riscaldamento. Riassumendo, quindi la producibilità elettrica annua stimata viene fissata in 200 MWh/anno. PARAMETRI AMBIENTALI Uno degli obiettivi principali di questa realizzazione è quello di dimostrare un sensibile miglioramento in termini ambientali ed in particolare sul bilancio di emissioni di gas serra, in virtù dei progressi dovuti all utilizzo di una fonte di energia locale e rinnovabile. Come accennato nella descrizione impiantistica generale l impianto, per come è stato progettato e per via dei processi che lo coinvolgono, non potrà avere ripercussioni sulla qualità dell aria; attualmente per la climatizzazione degli edifici viene bruciato gas metano; con la nuova realizzazione si brucerà un gas piuttosto simile, ma ottenuto attraverso la gassificazione del legno in un impianto che produrrà anche energia elettrica, contribuendo a diminuire la dipendenza da combustibili fossili nel territorio montano. Riassumiamo di seguito i parametri ambientali principali. RISPARMIO DI COMBUSTIBILI FOSSILI 91,3 TEP/ANNO RISPARMIO DI CO2 EMESSA IN ATMOSFERA 200 t/anno CIPPATO CONSUMATO IN UN ANNO DI ATTIVITA 435 t/anno PRODUZIONE DI CENERI 8 m3/anno 16

17 ANALISI DEI COSTI Lo scopo principale di questa realizzazione è quello dimostrativo e didattico, quindi si valuteranno i costi del sistema di cogenerazione, senza quantificare le spese per la realizzazione della rete di teleriscaldamento, degli allacci alle centrali termiche degli edifici pubblici e tutti i costi annessi, che verranno eventualmente considerati più in dettaglio in una fase successiva, quando la tecnologia avrà dimostrato la sua effettiva efficienza. Un secondo obiettivo sarà quindi quello di rendere all'impianto non solo uno scopo dimostrativo, ma anche operativo, cedendo il calore prodotto alle strutture pubbliche del Comune di Castel d'aiano. Come detto l'impianto di cogenerazione in esame è da considerarsi sperimentale, in particolare l'elemento più innovativo viene rappresentato dal motore Stirling, da un'attenta ricerca delle tecnologie disponibili sul mercato si sono trovati pochissimi produttori in grado di fornire il motore funzionante con le caratteristiche necessarie agli scopi del presente studio. Di conseguenza risulta difficile stimare con precisione i costi di investimento necessari alla realizzazione, si stima tuttavia che il costo finale potrà variare da un minimo di ad un massimo di , IVA compresa, a cui si deve aggiungere una quota per le spese tecniche quantificata in La spesa totale stimata varia quindi fra e , IVA compresa. 17