UNIVERSITA DEGLI STUDI DI PADOVA

UNIVERSITA DEGLI STUDI DI PADOVA FACOLTA DI INGEGNERIA CORSO DI LAUREA IN INGEGNERIA MECCANICA TESI DI LAUREA TRIENNALE MOTORI A COMBUSTIONE INTERNA E TURBINE A GAS DI PICCOLA TAGLIA PER GAS DI SINTESI RELATORE: Ch.mo Prof. ALARICO MACOR LAUREANDO: SOULEYMANE COMPAORE Matricola : 594311 IMM ANNO ACADEMICO: 2011/2012

2

INDICE 1. INTRODUZIONE...5 2. GASSIFICAZIONE...7 2.1.Gassificazione di biomasse agro-alimentari...7 2.2.Processo di gassificazione...8 2.2.1.Essicazione...8 2.2.2.Gassificatore di biomassa...9 2.2.3.Sezione di pulizia del syngas... 10 2.2.4.Caratteristiche energetiche del syngas... 11 2.3.Tipologie di gassificatori... 12 2.3.1.Gassificatori a letto fisso... 13 2.3.2.Gassificatori a letto fluido... 16 3.TECNOLOGIE DI UTLIZZO DEL SYNGAS... 17 3.1.Combustione di syngas all inerno di una MGT... 17 4.MOTORI ALTERNATIVI... 21 4.1.Mercato dei motori a combustione interna... 22 5.MICROTURBINE A GAS... 23 5.1.Comportamento di una MGT alimentata a syngas... 23 5.2.Ciclo termodinamico... 24 5.3.Componenti della microturbina... 25 5.4.mercato delle microturbine a gas... 31 6.COGENERAZIONE... 37 7.CONVERSIONE ENERGETICA DELLE BIOMASSE... 39 7.1.Aspetti critici... 39 7.2.Aspetti ambientali... 39 8.CAMPI D APPLICAZIONE DELLE MGT... 41 9.ANALISI DI FATTIBLITÀ CON RETSCREEN... 43 10.BILANCIO ENERGETICO DI UN IMPIANTO REALE... 45 11.CONCLUSIONE... 47 12.BIBLIOGRAFIA... 49 3

4

1. INTRODUZIONE Il crescente fabbisogno energetico, le problematiche ambientali connesse al soddisfacimento della domanda e il complesso contesto economico, rendono necessario la ricerca di nuove soluzioni innovative per produrre energia pulita e a basso costo. E una di queste è rappresentata dalla possibile gassificazione di biomasse, in particolare quelle derivanti da scarti agro-alimentari, agro-industriali e dell allevamento. La gassificazione consiste nell ossidazione incompleta di un combustibile solido in un ambiente a elevata temperatura (900-1000 C) per la produzione di un gas combustibile, chiamata comunemente gas di sintesi o syngas, che può essere utilizzato per alimentare motori o turbine a gas. La gassificazione di per sé non è una tecnologia recente, ma la possibilità di essere applicata alle biomasse rappresenta sicuramente un opportunità per piccole realtà come le aziende agricole. Si pensi, infatti, che ogni anno le aziende agricole si ritrovino il problema di smaltire, a proprie spese, tonnellate di scarti, quali potature, stocchi di mais, pula di riso, paglia, ecc. L idea è quella di eseguire un recupero energetico di questi scarti, ovvero, utilizzarli come biomassa per la produzione di energia; in tal modo, oltre ad eliminare il problema dello smaltimento, lo scarto agricolo costituirebbe una fonte di reddito opzionale e non un costo. Mediamente le aziende agricole sono in grado di recuperare senza troppe difficoltà almeno 10.000-12.000 tonnellate/anno di sostanza secca da gassificare. Attualmente il mercato mette a disposizione soluzioni tecnologiche, in grado di offrire uno sfruttamento efficiente di queste risorse come combustibili, e con rendimenti abbastanza elevati. Si può arrivare a un rendimento complessivo dell 80-85% (30-40% elettrici e 40-45% termici) e un efficienza di produzione di syngas fino a 1,5 kg/kg di sostanza secca introdotta: si va da impianti integrati di gassificazioni con microturbine o motori di piccola taglia, utilizzati esclusivamente per produzione di energia termica e elettrica. Le tecnologie industriali sviluppate si basano poi sull utilizzo di un essiccatoio posto a monte del gassificatore al fine di condizionare la biomassa in ingresso alla umidità necessaria al gassificatore (in genere inferiore al 20%) il che rende la tecnologia ancora più interessante in quanto è possibile utilizzare anche biomassa molto umida, che il processo stesso riadatta alle proprie necessità. 5

Anche dal punto di vista ambientale l utilizzo delle biomasse come combustibili rinnovabili, in sostituzione a quelli fossili, non contribuisce all effetto serra, dal momento che il CO2 prodotto durante i processi di gassificazione è inferiore a quello assorbito dal normale processo di fotosintesi delle piante. Inoltre la possibilità di sfruttare anche gli incentivi statali, oltre la vendita dell energia prodotta (di cui 10-20% destinati all autoconsumo), rendono ancora più appetibile queste tecnologie dal punto di vista economico. 6

2. GASSIFICAZIONE 2.1.Gassificazione di biomasse agro-alimentari La gassificazione è un processo termochimico, che avviene in una limitata e controllata quantità di ossigeno (o di un altro agente gassificante), in modo da ottenere la produzione di un gas combustibile. La gassificazione consiste nell ossidazione parziale (cioè con quantità d aria inferiore a quella stechiometrica) di un materiale liquido o solido, a temperature di 800 1100 C, che viene trasformato in: un gas ( gas derivato o syngas ), frazione più cospicua della reazione, avente potere calorifico medio basso (4 15 MJ/Nm 3, a seconda dell agente gassificante utilizzato: aria, ossigeno oppure vapore). un residuo solido ( char ) costituito dalla frazione inerte del materiale trattato, più eventuali parti organiche non convertite. Il processo di gassificazione richiede calore, fornito completamente o parzialmente dal processo di gassificazione stesso [1]. Il combustibile gassoso ottenuto dal processo di gassificazione dei rifiuti prende il nome di Syngas (Gas di Sintesi) ed è composto principalmente da monossido di carbonio (CO), idrogeno (H2 ), metano (CH4 ), anidride carbonica (CO2 ) e azoto (N2 ), e vari composti contaminanti quali ceneri ( char ), polveri ( ash ) e idrocarburi comunemente indicati come catrami( tar ). Il syngas è prodotto, in particolare, a seguito della trasformazione termica del combustibile di partenza, che si sviluppa attraverso tre fasi principali: essiccamento; pirolisi; gassificazione. Durante l essiccamento il materiale viene riscaldato provocando l evaporazione dell acqua contenuta. Proseguendo oltre, segue la fase di pirolisi che libera il materiale volatile (idrogeno ed idrocarburi leggeri) mantenendo in fase solida il carbonio fisso. A temperatura più elevata ed in presenza di ossigeno, il carbonio fisso reagisce dando origine a monossido di carbonio (processo di gassificazione). La gassificazione avviene in presenza di una limitata quantità di ossigeno in modo da evitare la combustione totale del materiale. Nel gassificatore, come detto, si opera quindi in difetto di ossigeno e si formano quindi quantità limitate di CO2. I processi di essiccazione e pirolisi sono endotermici, mentre la gassificazione 7

è complessivamente esotermica e il calore necessario ad alimentare le fasi precedenti del processo (endotermiche) viene fornito dalla reazione dalla combustione che caratterizza gassificazione finale. Figura 2.1 alcuni esempi di scarti agricoli 2.2.Processo di gassificazione 2.2.1.Essicazione Per poter ottenere condizioni di combustione ottimali, la materia prima, costituito da residui di coltivazioni agricole, forestali, eccedenze agricole temporanee ed occasionali, residui di lavorazione delle industrie agrarie e agro alimentari, frazione organica dei rifiuti urbani, deve essere opportunamente essiccata. L umidità all interno del gassificatore deve essere inferiore al 20 %. Questo trattamento viene effettuato all interno di un essiccatore posto a monte del reattore di gassificazione. Per ottenere l essiccazione della biomassa viene utilizzato parte del calore dei fumi prodotti dal motore endotermico (o dalla microturbina) alimentato dal Syngas. 8

2.2.2.Gassificatore di biomassa Il gassificatore è un sistema complesso in cui intervengono differenti processi che portano alla trasformazione della biomassa in gas combustibile. All interno del modulo di gassificazione si assiste a: pirolisi della biomassa gassificazione del carbone depolverazione del Syngas prodotto raffreddamento del Syngas prodotto pulizia del Syngas dai catrami presenti Il gassificatore è formato da due sezioni principali: il reattore di gassificazione dove avvengono le reazioni di pirolisi e di gassificazione della biomassa; la sezione di pulizia del gas dove si provvede al raffreddamento, depolverazione e decatramazione del Syngas. Figura 2.2 Rappresentazione dei processi che avvengono nel reattore [3] La biomassa e l aria comburente (o altro reagente) entrano nel reattore dalla parte alta (downdraft), dove la prima riceve calore scaldandosi e completando la sua essicazione. 9

Appena sotto si identifica una zona di pirolisi dove la temperatura è soggetta ad un gradiente crescente compreso tra i 200 C e gli oltre 1000 C della zona di combustione/ossidazione e dove i componenti volatili della biomassa, la cellulosa e la emicellulosa evaporano generando il cosiddetto gas di pirolisi; i rimanenti componenti non volatili della biomassa, in genere identificabili con la lignina, rimangono in fase solida formando carbone. I gas di pirolisi sono molto ricchi di idrocarburi, comunemente indicati come catrami (TAR). Questo gas proseguendo il suo movimento verso il basso attraversa la zona di parziale combustione ad alta temperatura dove subisce un cracking termico: la maggior parte dei catrami viene distrutta e nella parte sottostante tale zona si trovano solo molecole elementari contenenti i componenti fondamentali degli idrocarburi e cioè CO, CO2, H2, CH4. Queste reazioni sono quasi tutte endotermiche ed avvengono a temperature superiori a 600 C. Il gas che fuoriesce dalla zona di combustione/ossidazione e che si trova ancora a temperature superiori a 1000 C cede calore alle reazioni di gassificazione raffreddandosi attraversando la zona di riduzione fino ad uscire dalla grata sottostante ad una temperatura di 600 /700 C. 2.2.3.Sezione di pulizia del syngas Prima di arrivare ad alimentare il combustore della turbina, il syngas è sempre opportunamente purificato dalle specie aggressive ed inquinanti in esso contenute, sia per evitare l attacco corrosivo sulle parti più critiche dell impianto ed in particolare delle turbomacchine (mantenendo a livelli accettabili le spese di manutenzione), sia per limitare le emissioni atmosferiche mantenendo i gas combusti entro i limiti di legge consentiti [2]. Nella sezione di depolverazione, raffreddamento e decatramazione, il Syngas viene dapprima fatto passare in un ciclone, ovvero un precipitatore centrifugo, attraverso il quale si eliminano la maggior parte delle particelle di carbone trascinate dal gas e, successivamente, raffreddato mediante apposito scrubber (apparecchiatura utilizzato per abbattere la concentrazione di polveri nel gas) nel quale viene investito da un getto di acqua fredda. Il syngas fuoriesce dallo scrubber ad una temperatura di circa 50 C e contiene un aerosol (addensamenti di particelle solide dispersi nel gas) di catrami formatisi durante il raffreddamento dello stesso. L eliminazione dell aerosol di catrami è realizzato mediante dei filtri elettrostatici a umido: questi filtri, sfruttando l emissione di elettroni da appositi elettrodi ad alto voltaggio per effetto corona 1 riescono ad eliminare quasi completamente le goccioline di liquido presenti nel syngas 1 Effetto corona: gli elettroni in moto verso l elettrodo positivo vengono "catturati" da molecole particolarmente elettronegative, come SO2 e O2, con conseguente formazioni di ioni negativi che vengono adsorbiti dalle particelle di particolato presenti nei fumi. 10

incluse le gocce di catrame e di acqua. Il gas così pulito e raffreddato è idoneo alla sua utilizzazione in motori endotermici per la produzione di energia elettrica o meccanica. Le sezioni del gassificatore sono dotate di soffianti che permettono l aspirazione del Syngas: infatti, tutto il gassificatore risulta lavorare in depressione e le soffianti permettono di vincere le perdite di carico del reattore, del ciclone, dello scrubber e dei filtri elettrostatici [3]. 2.2.4.Caratteristiche energetiche del syngas Il gas ottenuto ha caratteristiche che dipendono dal tipo di agente ossidante utilizzato e dal materiale di origine (carbone, residui, biomassa): Gassificazione in aria: se il combustibile viene bruciato con una quantità limitata di aria (sottostechiometrica), si produce un gas a basso potere calorifico detto gas di gasogeno contenente principalmente H 2 e CO ma diluito con una gran quantità di azoto inerte e per questo è dotato di un basso contenuto energetico (1000-1500 Kcal/Nm 3 ). Un gas di questo tipo è utilizzabile per caldaie e motori, ma, per il basso potere energetico, non può essere trasportato in condotte a lunghe distanze o in turbine a gas. gassificazione in ossigeno: se il combustibile viene bruciato con piccole quantità (inferiore alla quantità stechiometrica) di ossigeno puro anziché di aria, il gas che si ottiene, detto gas di sintesi, è a medio potere calorifico (circa 2500 Kcal/Nm 3 ), ed è utilizzabile per il trasporto a distanze limitate oltre che per processi termici industriali e per la sintesi del metanolo, ammoniaca, benzina, metano e idrogeno. L uso di ossigeno, anche se costoso, consente di incrementare di qualche punto percentuale i rendimenti elettrici dell impianto. Il costo dell ossigeno viene cosi, ampiamente ripagato, dall aumento dei rendimenti elettrici. Inoltre, si ottiene un syngas più pulito e con idrocarburi più volatili, che riduce la frequenza di manutenzione del sistema di filtraggio. Gassificazione con vapore: generalmente indicata in breve come Reforming, produce un gas ricco di H 2 ed è un processo fortemente endotermico. In questo caso il gas prodotto non è diluito con l azoto contenuto nell aria per cui il potere calorifico risulta essere maggiore (circa 3500 Kcal/Nm 3 ) [4]. 11

Tabella 2.1 Composizione percentuale del syngas a seconda dell agente gassificante ARIA OSSIGENO VAPORE CO 12-15 30-37 32-41 CO2 14-17 25-29 17-19 H2 9-10 30-34 24-26 CH4 2-4 4-6 12.4 N2 56-59 2-5 2.5 Potere cal. Inferiore (MJ/Nm 3 ) 3.8-4.6 10 12-13 Oltre a questi composti, il syngas contiene altri contaminanti; la loro concentrazione deve essere ridotta in quanto potrebbero danneggiare o influenzare i successivi processi di trattamento, e per ridurre le emissioni in atmosfera. I principali sono: Contaminanti gassosi: principalmente anidride carbonica(co2), acido solforico(h2s), anidride solforosa(so2), ossido di azoto(nox), acido cloridrico(hcl) ed altri composti clorati Composti carboniosi condensabili (tar) Metalli pesanti (Mercurio) Alcali e polveri 2.3.Tipologie di gassificatori I gassificatori possono essere classificati fondamentalmente in: 1. Gassificatori a letto fisso 2. Gassificatori a letto fluido 12

2.3.1.Gassificatori a letto fisso I gassificatori a letto fisso si dividono inoltre in: - updraft - downdraft - cross current (crossdraft) - open core Updraft o a tiraggio superiore (detti anche a controcorrente): l ossidante sale mentre il combustibile scende verso il basso. La biomassa è dapprima essiccata ad opera del gas di sintesi caldo ascendente, dopodiché il combustibile solido è pirolizzato e produce un char che continua il suo moto verso la parte bassa del reattore per essere gassificato; i vapori di pirolisi sono trascinati verso l alto dal gas di sintesi. In questo modo, il catrame (tar) contenuto nei suddetti vapori può essere condensato quando entra in contatto con il combustibile solido discendente a bassa temperatura, oppure trascinato verso l alto, insieme al gas caldo di sintesi, conferendo a questo un contenuto tipicamente alto di tar. La frazione di tar condensata viene riciclata verso le zone di reazione, dove subisce il processo di cracking dando luogo a gas combustibile e char. Nella parte bassa del reattore (zona di gassificazione) il char solido da pirolisi ed i prodotti del cracking sono parzialmente ossidati dall aria (od ossigeno) ascendente. Può anche essere iniettato vapore se si vuole aumentare il contenuto di idrogeno del gas di sintesi. Da quanto detto è ovvio che il gas combustibile prodotto da questo tipo di gassificatori contiene una frazione relativamente alta di tars e idrocarburi che gli conferiscono un elevato potere calorifico. I vantaggi principali dei gassificatori updraft sono la relativa semplicità costruttiva e l alta efficienza termica grazie al calore recuperato dal gas di sintesi per l essicazione e la pirolisi della biomassa prima che questa entri nella zona di gassificazione [4]. 13

Figura 2.3 Gassificatore updraft [1] Downdraft o a tiraggio inferiore (detti anche a equicorrente) in cui sia l ossidante che il combustibile scendono verso la parte bassa del gassificatore attraverso un letto di solidi a pacco, supportati da una strizione Venturi del reattore detta gola, dove avviene la maggior parte delle reazioni di gassificazione. I tempi di residenza tipici di questo reattore sono nell ordine delle ore, mentre le velocità di riscaldamento nell ordine di alcuni C/ s. I prodotti della gassificazione vengono miscelati in questa zona tipicamente turbolenta e ad alta temperatura, favorendo in questo modo il cracking del tar, processo che è completato insieme alle reazioni di gassificazione. Questo tipo di reattore consente alte conversioni dei prodotti di pirolisi e quindi un basso contenuto di tar nel gas combustibile di sintesi. La particolare configurazione di questo reattore consente di minimizzare la percentuale di tar nel gas prodotto: infatti forzando i prodotti di pirolisi a passare nella zona di combustione parziale si favorisce il cracking termico dei tar promuovendone la decomposizione in prodotti più leggeri. I gassificatori di questo tipo sono relativamente semplici e attualmente molto impiegati. A causa del basso contenuto di tars nel gas di sintesi si prestano bene ad essere usati per la produzione di energia elettrica di piccola taglia con motori a combustione interna o microturbine [4]. 14

Figura 2.4 Gassifcatore downdraft [4] Il funzionamento dei gassificatori a letto fisso crossdraft è simile a quello degli updraft ma il combustibile si muove verso il basso mentre l ossidante è immesso trasversalmente. Figura 2.5 Gassificatore crossdraft Open core: variante del downdraft senza gola per biomasse con alto contenuto di cenere che viene continuamente rimosso dalla grata. 15

2.3.2.Gassificatori a letto fluido Si suddividono in : letto bollente letto circolante letto pressurizzato Nel gassificatore a letto bollente sono presenti due fasi: una fluida nella parte inferiore ed una gassosa nella parte superiore del gassificatore. In quello a letto circolante la miscela bifase gas/solido non è stratificata in due fasi di densità nettamente diversa, ma si ha un progressivo incremento della fase gassosa salendo verso l alto; il gas che esce dal reattore dovrà quindi essere separato dalle particelle solide trasportate dal flusso, le quali saranno poi reinserite nel reattore. I gassificatori a letto pressurizzato hanno invece la caratteristica di operare in atmosfera pressurizzata, al contrario dei precedenti in cui si mantiene la pressione atmosferica. 16

3.TECNOLOGIE DI UTLIZZO DEL SYNGAS 3.1.Combustione di syngas all inerno di una MGT Le proprietà del gas di sintesi differiscono dalle proprietà del gas naturale e diversi studi sperimentali sono stati fatti, tra cui quello su una microturbina commerciale da 100 kwe [6] per stabilire il comportamento della microturbina alimentata con questo gas. I risultati sperimentali sono stati ottenuti passando gradualmente dall'alimentazione a gas naturale a quello a syngas nella microturbina, dotata di un combustore leggermente modificato in grado di gestire un forte aumento della portata di carburante. Profili di temperatura, pressione, le emissioni e velocità di fiamma sono state attentamente monitorate per rilevare eventuali problemi di operatività della microturbina causato dalla forte differenza nelle caratteristiche del carburante. Nessun problema per quanto riguarda auto accensione, instabilità dinamica o statica, sono stati osservati in tutto il test. In particolare i profili di temperatura sono rimasti ben confinati all'interno dei limiti di funzionamento normale delle MGT, nessun problema relativo ai limiti di temperatura del materiale è prevista per il passaggio da gas naturale a syngas. Figura 3.1 Andamento della temperatura lungo asse ugello di iniezione Gas naturale e syngas hanno diverse caratteristiche di combustione, la figura 3.1 mostra ad esempio l andamento della temperatura in camera di combustione in prossimità dell ugello di iniezione. Nel caso del syngas la combustione inizia già all interno dell ugello a causa della 17

maggior portata effluente a parità di potenza(rispetto al metano). L elevata velocità che ne deriva crea quindi le condizioni di moto per cui la combustione si innesca all interno dell ugello. Nel caso del metano, invece, essa si innesca solo dopo l ingresso in camera della miscela combustibile e sviluppando, rispetto al syngas, temperature maggiori. Nell alimentazione a syngas, infatti, la temperatura d ingresso in turbina (TIT) è intorno ai 1083 K rispetto ai circa 1142 K del metano come si può constatare in figura 3.2. Figura 3.2 Andamento temperatura lungo asse del combustore La combustione del syngas ha prodotto, inoltre, emissioni notevolmente basse di NOx e CO. Le basse emissioni di CO durante l'operazione con syngas indicano un regime stabile di combustione, in cui non è stata osservata una combustione incompleta. Mentre le basse emissioni di NOx dimostrano l'effetto positivo del contenuto di vapore alla temperatura di fiamma. Di conseguenza, le emissioni totali di ossidi di azoto durante la combustione del syngas è risultato molto basso (<5 ppm, parti per milione) [6]. Negli impianti di piccola taglia, la conversione energetica del syngas avviene mediante l utilizzo di gruppi elettrogeni, quali motori endotermici o microturbine a gas, integrati direttamente con i moduli di gassificazione. In questo modo, si riesce ad incrementare il rendimento del sistema grazie all utilizzo dei gas di scarico proveniente dai motori o dalle microturbine per l essiccazione della biomassa. 18

Figura 3.3 Impianto di gassificazione integrato con una turbina [7] La biomassa, in tal caso, di origine vegetale o animale, viene stoccata a monte dell impianto e appositi sistemi di movimentazione provvedono ad introdurla all interno del componente principale dell impianto: il pirolizzatore (gassificatore), all interno del quale la biomassa subisce un processo termochimico di pirolisi capace di liberare gas potenzialmente pregiato per una combustione. La rimanente massa solida viene bruciata per recuperarne calore utile al riscaldamento del pirolizzatore ed infine evacuata come sottoprodotto di scarto o cenere (char) che dovrà essere opportunamente smaltita come rifiuto industriale. Il syngas viene recuperato per mezzo di un opportuno organo separatore di ceneri ed inviato ad una serie di componenti (Cyclone, Scrubber) che provvedono a filtrare, pulire ed affinare il gas da pirolisi eliminando da esso le particelle solide in sospensione e l umidità. In questa fase viene quindi preparato il gas per renderlo il più possibile idoneo alla successiva combustione. Il processo di pirolisi avviene tipicamente a temperatura ambiente e l ultima fase che precede l ingresso nelle MTG è la compressione del syngas pronto all uso fino alla pressione di iniezione della camera di combustione della MTG, 19

una pressione tendenzialmente oscillante attorno ai 4 bar in funzione del tipo di micro turbogas installato nell impianto. Con l introduzione in camera di combustione il syngas brucia con l aria in arrivo dal turbocompressore della MTG liberando la sua energia chimica e trascinando la turbina di potenza. Su quest ultima è calettato un alternatore per la produzione dell energia. Ottenuto l effetto utile di trascinamento dell alternatore i gas esausti uscenti dal singolo stadio di espansione della MTG non vengono direttamente portati a camino ma riutilizzati per incrementare le prestazioni del gruppo. Essi infatti possiedono ancora un interessante contenuto entalpico che viene sfruttato in uno scambiatore rigenerativo per preriscaldare l aria uscente dal turbocompressore prima dell ingresso nel bruciatore della MTG. Questo porta ad un incremento delle prestazioni del gruppo di potenza, altrimenti scarse a causa della piccola taglia. A valle del preriscaldamento dell aria segue, come ultimo recupero termico realizzabile, la cessione del calore residuo dei fumi al pirolizzatore descritto inizialmente per fare in modo di mantenere la temperatura di questo componente sufficientemente elevata affinché possa avere luogo il processo di pirolisi all interno. Infine, i fumi ormai esausti, vengono convogliati a camino ed evacuati in atmosfera [7]. Il syngas ha un potere calorifico inferiore medio di 1.200 Kcal/kg, e ne vengono prodotti 2,5 Nm 3 per ogni Kg di biomassa (3.000 Kcal/kg totali). Considerando biomassa secca, ad esempio, con umidità inferiore15% (3.750 Kcal/kg), i gassificatori Ankur Scientific [Bettella Caema] hanno un efficienza di gassificazione dell 80%. Vale a dire, l 80% del potere calorifico della biomassa viene convertito in syngas. L utilizzo più conveniente del syngas negli impianti di piccola taglia come quelli in esame, che realizzano bassi rapporti di compressione (circa 4-6), è quello con la configurazione cogenerativa. Infatti il rendimento globale nel caso di sistemi che operano in cogenerazione (con recupero dei gas di scarico e produzione di acqua calda) può raggiungere valori dell 80-85%. 20

4.MOTORI ALTERNATIVI Il generatore utilizzato per la produzione di energia elettrica e termica è solitamente un motore alternativo. I motori utilizzati per queste applicazioni devono essere opportunamente modificati. I motori a combustione interna a ciclo Otto rappresentano la tecnologia tipicamente adottata nella maggior parte degli impianti realizzati finora. Si tratta prevalentemente di motori concepiti per la combustione di gas naturale e come tali possono generalmente essere adattati per bruciare syngas, attraverso modifiche della carburazione e del sistema di ignizione [8]. In alcuni casi invece vengono utilizzati motori a ciclo Diesel modificati e utilizzati come Bi- Fuel, ovvero con doppia alimentazione, avviati utilizzando come combustibile normale gasolio, mentre a regime sono alimentati con syngas [5]. I motori alternativi hanno i vantaggi del basso costo del capitale, piccola dimensione, facile messa in servizio, affidabilità, buon carico a seconda delle caratteristiche e un buon recupero del calore. Inoltre i motori alternativi richiedono requisiti molto più bassi per la pulizia dei gas rispetto alle microturbine. Motori alternativi disponibili sul mercato coprono la gamma di produzione di energia elettrica da 0,5 kw fino a diversi Megawatt. I principali produttori sono: Dresser Waukesha, General Elettric Jenbacher, Caterpillar, Cummins, Warstsila, Guascor, Tessari Energia, e DEUTZ [9]. Figura 4.1 MAN 6-cylinder gas engine for CHP 21

4.1.Mercato dei motori a combustione interna Tabella 4.1 Alcuni motori di potenza < 1MW funzionanti con gas a basso potere calorifico [8] Produttore Modello Config. Giri/ min. MDE- Denzentrale Energiesysteme GmBH GE Jenbacher Deutz Energy IVECO Motors Caterpillar MAN Engines Cummins Dresser Waukesha Potenza elettrica (kwe) 100-400 39 Rendimen. elettrico (%) Potenza termica (kwt) Rendimen. termico (%) J208 Gs 8 L 1500 249-329 38,6-39,1 295-400 46,3-47 1800 335 36,2 391 42,3 J312 Gs 12 V 1500 526-625 39,7-40,4 566-702 43,5-44,7 1800 540-633 36,7-38,1 682-811 46-47 J316 Gs 16 V 1500 835 39,9 934 44.6 1800 848 36,9-38,2 1.020-1.081 46-47 J320 Gs 20 V 1500 1064 40,8 1.104 42,4 1800 1060 36,9-39 1.258-1.367 46,3-47,6 TBG 616 V8 K 8 V 1800 336 35,6 TBG 616 V12 K 8 V 1800 505 36,6 TBG 616 V16 K 8 V 1800 676 36,5 GE8281SRG 8 V 1500 200 1800 220 GE8291SRG 12 V 1500 325 G3508 LE 8 V 1500 460 31,6 764 52,4 G3512 LE 12 V 1500 770 31,6 1296 53,2 G3516 LE 16 V 1500 1030 31,8 1378 42,5 G3516 LE 16 V 1500 1100 36,7 1371 45,7 E2876 E302 6 L 116 32,4 186 52,0 E2876 LE302 6 L 181 35,7 251 49,5 E2876 LE312 6 L 342 37,1 430 46,6 GG 1500 30-75 1800 25-150 QSK19G 6 L 1500 315 1800 334 VGF18GLD 6 L 1500 230 1800 280 VGF24GLD 8 L 1500 310 1800 375 VGF36GLD 12 L 1500 475 1800 560 VGF48GLD 16 L 1500 625 1800 750 VHP2895GL 6 L 900 322 1200 430 VHP579 12 L 900 645 1200 1025 VHP7042 12 L 900 4553 1200 1050 22

5.MICROTURBINE A GAS La microturbina a gas (MTG) è un particolare tipo di turbina caratterizzata da taglie di potenza elettrica tipicamente nell intervallo che va dai 30 ai 200 kwe e rendimenti elettrici dell ordine di 25-30%. Sostanzialmente esse utilizzano macchine radiali di piccole dimensioni e non assiali, capaci di funzionare a un numero di giri elevatissimo (70.000-120.000 giri al minuto), il ciclo è rigenerativo e non semplice, e con rapporti di compressione molto più bassi (circa 4). Per evitare l uso di riduttori le MTG sono libere di ruotare alla velocità più conveniente in base alla condizione di carico elettrico da sviluppare. Grazie all adozione del sistema di conversione della frequenza, il turbogeneratore può funzionare a qualsiasi numero di giri correggendo a valle della produzione la frequenza per portarla ai valori richiesti per il parallelo con la rete elettrica [7]. 5.1.Comportamento di una MGT alimentata a syngas Dal momento che il gas di sintesi è il combustibile che alimenta l impianto combinato, è importante stabilire come si comporta una turbina a gas alimentata con tale combustibile piuttosto che con il consueto gas naturale. Il syngas presenta un potere calorifico minore rispetto a quello del gas naturale (H i = 35.8 MJ/Nm 3 ). Un valore di riferimento per il potere calorifico inferiore del syngas è 8-12 MJ/kg in assenza di diluizione con azoto o acqua e 5-8 MJ/kg nel caso di diluizione con azoto, rispetto ai 46-50 MJ/kg del metano. A parità di potenza termica sviluppata si ha: m syn.h isyn = m ch4.h ich4 m syn / m ch4 = H ich4 / H isyn = 5-10 ossia, la portata massica di combustibile diventa da 5 a 10 volte superiore rispetto a quella di gas naturale. A parità di portata d aria aspirata dal compressore, aumenta la portata di fluido che espande in turbina, rispetto al caso di alimentazione a gas naturale, con un conseguente cospicuo aumento della potenza erogata dall espansore ed un aumento ancora più sensibile della potenza prodotta dall impianto (essendo rimasta inalterata la potenza assorbita dal compressore). 23

Il compressore è quindi chiamato a sviluppare un rapporto di compressione più elevato, ma tale situazione potrebbe diventare incompatibile con i limiti di stallo del compressore. Qualora venissero superati i margini di stallo, si potrebbe agire in due modi diversi: Aumentando la sezione di passaggio degli ugelli di turbina o aggiungendo stadi di alta pressione al compressore (tali modifiche risultano essere complesse e costose); Riducendo la portata di aria. Altre modifiche, riguardano il combustore, soprattutto per consentire il maggior flusso di combustibile [10]. 5.2.Ciclo termodinamico Le Microturbine operano secondo il ciclo termodinamico conosciuto come ciclo Brayton-Joule, così come le più grandi turbine a gas. Il ciclo termodinamico di una micro turbina a gas è però caratterizzato da parametri caratteristici piuttosto bassi se confrontati con quelli d impianti di grossa taglia. Figura 5.2 Ciclo termodinamico di una MTG confrontato con quello di una turbina a gas di grossa taglia (linea tratteggiata) [11]. 24

Il compressore monostadio radiale comprime l aria fino alla massima pressione (con rapporti di compressione tipicamente variabili da 4 a 6). Allo scarico del compressore, l aria, che ha innalzato la sua temperatura durante la fase di compressione, può venire inviata al combustore direttamente oppure indirettamente, dopo aver attraversato uno scambiatore che preriscalda l aria utilizzando il calore dei gas di scarico della turbina. In termini di prestazioni le turbine a gas presenti attualmente sul mercato nel segmento di taglia 30-200 kwe presentano rendimenti variabili dal 15% al 20% in ciclo semplice e dal 20% al 30% in ciclo rigenerativo. Il combustore innalza la temperatura del gas inviando al bruciatore la quantità di combustibile necessaria al raggiungimento della temperatura massima del ciclo; quest ultima è determinata in funzione dei materiali dell espansore e della vita richiesta alla turbina a gas. Nel campo d interesse (taglie comprese tra 30 e 200 kwe) la temperatura d ingresso in turbina può variare da 850 a 1050 C per le macchine più spinte (tipicamente di derivazione aeronautica). 5.3.Componenti della microturbina In figura è riportato lo schema di un impianto progettato dalla Capstone, in cui sono messi in mostra le principali componenti. Le microturbine utilizzate, il cui punto nominale di funzionamento sia fra i 30 e i 200 kw, compressore e turbina sono in genere a flusso radiale e derivano dai gruppi turbocompressori dei grossi motori alternativi. 25

Figura 5.3 Schema d impianto di una MGT della Capstone [11] TURBINA E COMPRESSORE Le microturbine adottano compressori centrifughi e turbine radiali, invece che assiali e di piccolissime dimensioni se confrontati con quelli delle normali turbine a gas. 26

Figura 5.4 Compressore centrifugo e turbina radiale di una microturbina [Turbec] I rendimenti ottenibili da un compressore centrifugo a singolo stadio, con aspirazione in aria a temperatura ambiente, dipendono fortemente(senza andare in dettaglio) da quattro fattori. Numero di giri specifico, Nsc Diametro della girante Svergolamento della pala Numero di Mach Le microturbine a gas esistenti, con rendimenti globali del 30%, operano con una temperatura d ingresso in turbina di circa 950 C, utilizzando una turbina radiale non raffreddata. 27

Figura 5.5 Rendimento globale della MTG in funzione della TIT [ 11]. SCAMBIATORE DI CALORE Non potendo, infatti, le micro turbine operare a temperature d ingresso in turbina elevate per l assenza di sistemi di raffreddamento, risulta evidente il ruolo svolto dallo scambiatore di calore per il raggiungimento di valori adeguati del rendimento. Figura 5.6 Rigeneratore in contro corrente [11]. 28

Figura 5.7 Rigeneratore con superficie alettata in contro corrente [11] CAMERA DI COMBUSTIONE Il progetto di una camera di combustione per una turbina a gas è un processo complesso che coinvolge le problematiche riguardanti la fluidodinamica, la combustione e la meccanica. Pertanto, nello sviluppo delle Microturbine a gas un componente fondamentale è sicuramente il combustore. Negli ultimi dieci anni lo sviluppo delle camere di combustione delle turbine a gas è stato finalizzato alla riduzione delle emissioni inquinanti, soprattutto di ossidi di azoto (NOx), senza peraltro penalizzarne efficienza e affidabilità. A oggi la tecnologia disponibile consente di contenere tali emissioni a valori inferiori alle 25 ppm (parti per milione). Le microturbine progettate per essere alimentate con syngas non utilizzano solitamente combustori concepiti per il gas naturale, ma combustori speciali [12] quali RQL (Rich-Burn, Quick-Mix, Lean Burn), caratterizzate da una zona primaria con una miscela ricca (Rich-Burn), una zona d iniezione di aria che si miscela ai gas provenienti dalla zona primaria (Quick-Mix zone), e una zona costituita da miscela povera (Lean-Burn). 29

a) b) Figura 5.8 Syngas & Natural Gas fuel nozzle (a), syngas capable combustor and fuel nozzle (b) [13]. Il turbocompressore ruota con velocità molto elevate (dell ordine di 100 000 giri al minuto), il che comporta elevati valori della frequenza della corrente generata; inoltre il sistema è progettato per funzionare con velocità di rotazione variabile al variare del carico, producendo corrente alternata a frequenza variabile: per questo motivo a valle dell alternatore è previsto un sistema elettronico di condizionamento, per convertire la corrente alternata alla frequenza nominale di rete pari a 50 Hz. Con tale modalità operativa a giri variabili, oltre a dotare la microturbina di elevata flessibilità di funzionamento, si attenua il decadimento di prestazioni in termini di rendimento che si avrebbe a carico ridotto se la velocità fosse costante: pertanto le MTG sono anche utilizzabili in applicazioni nelle quali è richiesta una frequente modulazione del carico. Le caratteristiche principali delle microturbine rispetto a quelli di grossa taglia sono quindi: - L adozione di turbine radiali; - Utilizzo di compressori centrifughi; - Bassi rapporti di compressione (4-6 se confrontati con quelli di grossa taglia 15-20 ); - Ciclo prevalentemente rigenerativo. La rigenerazione termica impiegata per le microturbine non penalizza troppo la disponibilità di calore all utenza termica: la temperatura dei gas di scarico, anche dopo avere attraversato lo scambiatore rigenerativo, sono ancora sufficientemente elevate per potere alimentare caldaie a recupero (temperature superiori a 300 C). Le microturbine offrono diversi vantaggi potenziali rispetto ai motori, tra cui dimensioni compatte e leggerezza, maggiore efficienza, minori emissioni, e bassi costi delle operazioni di manutenzione. 30

Dall altro lato, la loro tolleranza per catrami e particolato è più bassa e perciò richiedono una pulizia più spinta del gas. Produttori di microturbine disponibili nel mercato comprendono la Capstone, Turbec, Bowman Power Systems, Ingersoll Rand, Elliot Energy Systems, e UTC Power [9]. 5.4.mercato delle microturbine a gas Turbec Figura 5.9 Microturbina Turbec T100 CHP 31

Figura 5.10 Principio di funzionamento della microturbina Turbec T100 32

Figura 5.11 Schema cogenerazione Turbec T100 Bowman Power Bowman Power offre le gamme di microturbine dalle potenze di 25 fino 80 kw la microturbina costruita dalla Bowman è caratterizzata dalla presenza di una valvola di by-pass del rigeneratore. Tale opzione permette di avere una maggiore flessibilità in termini di potenza termica utile per scopi cogenerativi [11]. Capstone La Capstone è la maggior produttrice e leader nel mercato delle microturbine a gas; detiene più dell 80% del mercato. Capstone focalizza la propria attività industriale esclusivamente sulla produzione di microturbine. 33

La microturbina Capstone è dotata di un compressore e turbina a flusso radiale, con un generatore ad elevata velocità montato su un singolo albero sostenuto da cuscinetti ad aria [11]. Figura 5.12 Modello C65 della Capstone [ IBT Capstone] CARATTERISTICHE PRINCIPALI La Capstone vanta della maggior flessibilità delle sue macchine: Alimentazione poli-combustibile (gas naturale, GPL, biogas, syngas, gas da discarica, diesel, biodiesel, olio vegetale) Rendimenti complessivi fino ad oltre l 80% (di cui rendimento elettrico 29%) Emissioni in atmosfera molto contenute (< 5 ppm NOx, < 15 ppm CO riferiti al 15% di O2). Possibilità di modulazione della produzione di energia elettrica e calore in funzione delle necessità istantanee delle utenze (da 0 a 100 % del carico) La capstone offre nel mercato sei taglie modulari per la produzione di energia elettrica, oltre alle serie Renewable (CR), microturbine progettate per funzionare con syngas anche ad elevato contenuto di impurità. 34

Tabella 5.1 Taglie di microturbine offerte dalla capstone. Modello KW elettrici kw termici Produzione acqua calda C30 30 60 In/out 50/70 C C65 65 112 In/out 50/70 C C200 200 280 In/out 50/70 C C600 600 850 In/out 50/70 C C800 800 1140 In/out 50/70 C C1000 1000 1430 In/out 50/70 C Ingersoll Rand (Dresser Rand) Ingersoll Rand produce due sistemi da 70 e 250 kw. La MTG della Ingersoll Rand Power Work presenta la particolarità di una configurazione bi-albero, con compressore e turbina montate su di un albero ed una turbina di potenza che guida il riduttore meccanico collegato ad un alternatore sul secondo albero [11]. Figura 5.12 Ingersoll Rand IR 70 kw Microturbine. 35

Figura 5.13 Ingersoll Rand 70 kw powerworks cycle Elliot Energy Systems Elliot Energy Systems, società di Elliot Turbomachinery Co., Ebara Group, è uno dei più grandi soggetti del mercato statunitense delle microturbine. È stata la prima compagnia a dedicarsi alla commercializzazione delle microturbine per applicazioni nel terziario. Vanta una produzione annuale superiore alle duemila unità. È anche il fornitore delle microturbine per le unità commercializzate dalla Bowman. La Elliot offre, di rilievo, la serie TA 100R capace di fornire 100 kw elettrici e 172 kw di potenza termica. 36

6.COGENERAZIONE I gruppi elettrogeni abbinati al gassificatore sono spesso motori a ciclo otto oppure microturbine che producono energia elettrica e termica. ENERGIA ELETTRICA I rendimenti elettrici vanno dal 30 al 40% a seconda della tipologia di motore o microturbina utilizzata. I motori di piccola taglia normalmente utilizzati sono Cummins, GE Jenbacher, Caterpillar, ecc. Mentre per le microturbine i più popolari sono Capstone, Turbec, Elliot Energy Systems, ecc. ENERGIA TERMICA Parte dell energia termica prodotta viene sfruttata per l essiccazione della biomassa. Un utente ulteriore può essere qualsiasi rete di teleriscaldamento che trasporti acqua calda a 80-95 C. L acqua calda si origina utilizzando sia lo scambio termico per raffreddare i motori (550-600 C) sia lo scambio termico con i fumi di scarico. Utilizzando i gas di scarico per l essiccazione, rimane a disposizione tutta l energia termica del circuito di raffreddamento. Il calore è a disposizione per tutte le ore di funzionamento del motore. Se non utilizzato, viene dissipato da radiatori di servizio. Più problematica potrebbe essere l utilizzo del calore nei periodi estivi. Anche in questo caso la tecnologia disponile permette di ovviare a questo problema. Infatti, alcune MTG (microturbine a gas) sono dotate di un sistema in grado di by-passare l eventuale presenza di un rigeneratore dell aria in ingresso alla camera di combustione. In questo modo, in assenza di richiesta termica il calore di scarico è utilizzabile per preriscaldare l aria in uscita dal compressore (e per l essicamento) con l obbiettivo di incrementare il rendimento elettrico della macchina, mentre nel caso di elevata richiesta termica dall utente tutto il flusso di gas caldi può essere impiegato per soddisfare questa richiesta [7]. 37

I VANTAGGI DELLA MICRO-COGENERAZIONE Produrre insieme elettricità e calore con la micro-cogenerazione, direttamente presso l utenza, in estrema sintesi comporta i seguenti grandi vantaggi: risparmiare energia primaria, nell ordine del 35-40%, diminuendo i costi energetici. Il risparmio energetico, in un paese come l Italia, grande importatore di energia, è la prima fonte strategica di approvvigionamento; salvaguardare l ambiente, emettendo in atmosfera oltre un milione di tonnellate di anidride carbonica in meno; minori perdite di distribuzione di calore (utilizzo sul posto); minori perdite di distribuzione dell energia elettrica (riversata direttamente nelle linee a Bassa Tensione); limitazione delle cadute di tensione sulle linee finali di utenza; nessuna necessità di costruire grandi locali appositi; limitazione della posa di linee elettriche interrate o tralicci, a parità di risultati [15]. 38

7.CONVERSIONE ENERGETICA DELLE BIOMASSE 7.1.Aspetti critici APPROVVIGGIONAMENTO DELLE BIOMASSE L approvvigionamento delle biomasse rappresenta sicuramente la problematica più critica nella gestione di questa tipologia di impianti. In effetti, in alcune realtà l approvvigionamento non rientra all interno di una programmazione di lungo periodo limitandosi a garantire il prodotto per periodi di tempo inferiori anche ai 6 mesi. In questi casi le ragioni possono essere ricondotte a diverse cause: stagionalità di alcuni prodotti maggiormente presenti in alcuni periodi dell anno e carenti in altri; fenomeni naturali che possono influenzare l efficienza delle raccolte. LIMITI TENICI DELLE MICROTURBINE - partenza lenta: una microturbina impiega tipicamente parecchi minuti per partire; - Impiego di elettronica di potenza costosa: a causa del regime di rotazione molto alto, l'uscita elettrica dal relativo generatore è dell ordine di 1500 Hz e deve essere ridotta a 50 o 60 Hz, tramite l utilizzo di un raddrizzatore e di un INVERTER. Questa elettronica di potenza riduce l efficienza ed è alquanto costosa; - requisiti strettissimi sulla pulizia del syngas: la depurazione del syngas rappresenta l aspetto più critico dell intero processo di gassificazione (soprattutto se il gas deve alimentare motori o turbine): l utilizzo, infatti, di apparecchiature aggiuntive comporta necessariamente dei costi. 7.2.Aspetti ambientali Nell utilizzo in motori endotermici, la combustione del syngas produce: - H 2+ O = H 2 O (vapore acqueo) - CO + O = CO 2 (anidride carbonica) 39

La quantità di anidride carbonica immessa nell atmosfera è inferiore a quella assorbita dalle piante durante il processo di fotosintesi. MICRO TURBINE E MOTORI: EMISSIONI A CONFRONTO Il vantaggio delle microturbine rispetto a moduli di analoghe dimensioni basati su motori a combustione interna risiede nelle minori vibrazioni e rumore e nel fatto che non è necessario un sistema ausiliario di smaltimento calore che invece deve essere predisposto per consentire al motore di operare anche quando l utenza termica non assorbe il carico termico o lo assorbe solo in parte. Emissione microturbina -NOx (valutati come NO 2 ) < 11 mg/nm 3 -CO < 20 mg/nm 3 Emissioni Motore Alternativo -NOx (valutati come NO 2 ) < 250 mg/nm 3 -CO < 300 mg/nm 3 I motori alternativi necessitano l adozione di catalizzatori specifici per abbattere le emissioni. Limiti di emissioni in Italia -NOx (valutati come NO 2 ) < 100 mg/nm 3 -CO < 200 mg/nm 3 Di contro i sistemi basati su microturbine presentano costi di acquisto e manutenzione più elevati rispetto ai motori a combustione interna [16]. Anche le ceneri che vengono raccolte nel processo di gassificazione delle biomasse, possono causare problemi di gestione ambientali legati alla normativa sul loro utilizzo o smaltimento. Essi costituiscono un rifiuto e in quanto tali devono essere smaltite (generalmente in discarica) rappresentando quindi un costo. Viceversa possono essere rivendute a terze dove trovano utilizzo nei cementifici, come materiale per il ripristino ambientale o come ammendanti agricoli o addirittura possono essere riutilizzati all interno del gassificatore stesso[17]. 40

8.CAMPI D APPLICAZIONE DELLE MGT La Microturbina può essere impiegata con successo ovunque vi sia bisogno d energia elettrica e/o termica, sia nel settore industriale sia civile (terziario), pubblico e privato, e negli impianti di teleriscaldamento. GENERAZIONE CONTINUA Nelle industrie che utilizzano attrezzature elettroniche molto sensibili o macchinari che funzionano soltanto con corrente continua. Queste, per evitare i rischi derivanti dalla rete elettrica, preferiscono prodursi da soli l energia per evitare gli alti costi dei guasti che ne potrebbero derivare. RAZIONALIZZAZIONE DEL CARICO ELETTRICO nelle ore di punta il costo del chilowattora può essere 3-5 volte superiore a quello dell utilizzo d energia elettrica in ore vuote. In queste situazioni potrebbe essere molto conveniente evitare di pagare i prezzi elevati del chilowattora, facendo funzionare in parallelo con la rete un sistema di Microturbina a gas che fornisca energia elettrica quando acquistarla è economicamente sfavorevole. COGENERAZIONE Nelle applicazioni della produzione combinata di energia termica ed elettrica, Alcune applicazioni di Microturbine basate sulla produzione combinata energia elettrica e termica hanno la possibilità di by-passare l eventuale presenza di un rigeneratore. In questo modo, la temperatura di uscita dalla turbina dei gas combusti è più alta, ne consegue una maggiore potenza termica disponibile per il recupero. GENERAZIONE A DISTANZA Nelle applicazioni molto difficili da raggiungere con la rete elettrica, come siti di montagna, ma anche luoghi dove sono richieste operazioni di estrazione e produzione di gas e di petrolio e determinati lavori minerari. 41

GENERAZIONE DI SOSTEGNO Negli ospedali, nei centri di elaborazione dati, negli aeroporti è indispensabile che non si verifichi mai un interruzione, nemmeno di breve durata, dell alimentazione da parte della rete pubblica. 42

9.ANALISI DI FATTIBLITÀ CON RETSCREEN Sia dato come obiettivo la produzione di 30 kw e si vuole sapere la quantità di biomassa necessaria per ottenere tale potenza. Per lo studio prendiamo come machina una microturbina Capstone C30 (30 kwe e 60 kwt con produzione di acqua calda a 70/80 C), gassificatore modello Ankur scientific (efficienza 1.5 kg di syngas per ogni kg di biomassa). Supponiamo inoltre che il gassificatrore sia dotato di un essiccatore (efficienza 60% circa). Preso come potere calorifico medio del syngas 12000 kj/kg, Dall analisi RETSreen otteniamo i dati evidenziati in tabella nella figura 9.1 - consumo specifico di syngas 13200 kj/kwh, ovvero 33 kg/h - Portata di biomassa secca richiesta circa 22 kg/h - Portata biomassa umida (umidità superiore a 40%) circa 37 kg/h Figura 9.1.Consumo specifico di combustibile 37 kg/h biomassa non essiccata Gassicatore Ankur Scientific eff. = 1,5 kg syngas/kg biomassa 33 kg/h syngas MGT C30 eff.= 27% 30 kw Figura 9.2.schema concettuale processo di gassificazione Anche dal punto di vista economico un processo di questo tipo si presenterebbe vantaggiosa. In figura 9.3 viene illustrato la situazione finanziaria nel caso della sola produzione elettrica. Figura 9.3 analisi finanziaria di un impianto virtuale. 43

Per l analisi virtuale si è preso come impianto le cui caratteristiche sono descritte sopra. La vita prevvista dell impianto è di 10 anni. - investimento inziale = 300,000 $ - tasso di inflazione attuale = 3.4% - durata del debito = 5 anni - costo combustibile (biomassa agricola, fai da te) = 0 $ (si ignorano i costi di preparazione e racolta degli scarti) - costi di gestione e manutenzione annuale = 20.000 $ - incentivi statali per la durata dell impianto= 50.000 $ - tempo di recupero del capitale investito circa 1,5 anni - economie per la durata prevvista dell impianto = 1.500.000 $ Come detto l analisi si è concentrata solo sulla produzione di energia elettrica e non tiene conto dell energia termica. Perciò un analisi approfondita dovrà tenere conto dei costi aggiunti derivanti dalle apparecchiature per la gestione dell energia termica. E ovviamente i ricavi derivanti dalla cesione dell energia stessa. 44

10.BILANCIO ENERGETICO DI UN IMPIANTO REALE Figura 9.4 bilancio energetico impianto di gassificazione [fonte planitec S.r.l.] 45