Technologia per motori a gas per gas da legna ed esperienze da impianti realizzati B.T.S Syngas 25.01.2013 Montichiari Dr. Günther Herdin 30.01.2013
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
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
Principi della gassificazione Fonte: agnion Technologies
Influenza dell umidità della biomassa sull efficienza elettrica Fonte: renet Güssing
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
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%
Composizione di vari gas di pirolisi Volume [%] Agnion HPR 2SV Harboore Civitas Nova Prüfling Fonte: GEJenbacher/agnion
Motorea ottoa gas gas compressore intercooler aria valvola motore turbina scatola di accensione
Motore con accensione Diesel Pilot regolatore portata aria compressore intercooler (valvola) motore turbina pompa Iniez.
Efficienza netta dei vari concetti in relazione al contenuto energetico di gas pirolitico [%]
Confronto di vari concetti di gassificazione [%] Fonte: renet, Solenia, Wilcox Babcock, Agnion Technologies
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
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
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 0,36 10 5 Mitteldruck [bar] 3000 2500 1,70 1,90 2,10 Lambda [-] Ladedruck [mbar] 2000 1500 1000 Fonte: agnion Technologies
Agnion motore singas versione: agnion MPI versione: agnion SPI Fonte: agnion Technologies 16
Condizione uscita formazione miscela nel tubo di aspirazione senza dispositivo di omogeneizzazione Aria Singas Fonte: agnion Technologies
Ottimizzazione dell omogeneizzazone prima della valvola di immissione tramite ugello di miscelazione Aria Singas Fonte: agnion Technologies
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
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
Andamentoefficienzadi potenzaman 2842 E312 (Lambda 1) ed escercizio con Lambda 1,35 TA-Luft Efficienza [%] Lambda 1.35 500 mg NOx/nm³ Lambda 1 @ NOx = ~ 6000mg/nm³ Gas da legna Hu = 1,85 kwh/nm³ 30.01.2013 Fonte: MAN, 2g 21
Curva effettiva MAN 2876 SAE 40@90 C Temp. olio Potenza effettiva [kw] Velocità [rpm] 30.01.2013 Fonte: 2g-drives 22
Scissione termica catrame (Nexterra)/purificazione secca del gas > 20g Σtar/nm³ < 1g Σtar/nm³ > 1000 C Al motore conforme TA 1000 0300 30.01.2013 Fonte: Nexterra/PGES 23
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 30.01.2013 Fonte: Nexterra; PGES 24
Composizione gas Güssing stato 2006 30.01.2013 Fonte: renet/pges 25
Agnionmotorea singasconcettodi regolazione Closedloop Fonte: agnion Technologies
Concetto Güssing con lavaggio gas RME Güssing durata motore > 60 000 ore 30.01.2013 Fonte: renet Güssing 27
Spiez Qualità del gas di legna 25 Produktegas Rohgas 100 20 80 mol% ohne N2 15 10 5 0 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] 60 40 20 0 mol% N2 Fonte: Pyroforce/PSI
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
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
Fasatura dell accensione ed emissioni NOx NO x, CO, C x H y Motorabgas [mg/nm³ @ 5% O 2 ] emissions[mg/sm³@5%o2] 1750 1500 1250 1000 750 500 250 0 CO CO NOx NOx CxHy CxHy ZZP bei NH 3 -Messreihe λ= NOx 19 KW 1.19 v.ot CO CxHy 10 15 20 25 30 35 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, 19.09.2006 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 )
Catalizzatore Oxi test Güssing [mg/nm³ @ 5%O2] Fonte: GEJ varie presentazioni
Gas di legna & emissioni analisi WILA contenuto [%] mg@5% O2 w/o cat 3000 H2 CO 2000 1000 CH4 CO limit NOx limit with cat CO Emissioni NOx Fonte: WILA
Problemi di potassio rilevazione nell olio motore 500,00 4000.00 400,00 300,00 200,00 3932/310 h 273/200 h Potassio[ppm] lavaggio acqua & purificazione gas basata su trucioli di legno 100,00 0,00 100,00 200,00 300,00 76 2/320 h 4/250 h 9/1000 h 3/350 h 8 6 6 3 Purificazione gas basata su filtri trattati a secco o ESP 400,00 500,00 345 Waukesha Austria Cummins India Fe da usura in olio motore [ppm] Guascor Spagna Jenbacher Danimarca Jenbacher Svizzera Jenbacher Svizzera Fonte: GEJ diff. presentatinons
Esempio di analisi d olio (catalizzatore) Non OK per catalizz., Purificazione del gas non è abbastanza Fonte: GEJ diff. presentatinons
Esempio di analisi d olio (catalizzatore) OK per catalizzatore Fonte: GEJ diff. presentatinons
Conversione NH3 a NOx ConfrontoNG con gas dilegna 3500 NOx im Motorabgas [mg/nm³ @5%O 2 ]. 3000 2500 2000 1500 1000 500 Gasmotor GE J156, in Teillast bei 50 kw el Holzgas Erdgas Quelle: IWT-TUG / LEC / GE J. 0 0 250 500 750 1000 1250 1500 NH 3 -Beladung im Gemisch [ppm] Fonte: GEJ diff. presentatinons
Influenza di NH3 sulle emissioni di NOx NOx [mg/sm³@5 % 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
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 2 15-18% CH 4 3-5% CO 25-28% CO 2 7-10% N 2 50-55% LHV 6.85 MJ/sm³ Fonte: GE Jenbacher
Gassificazione di biomassa - HarbØØre/Dk Stato impianto pilota 12/2007: motore n. 1. ore 25309 motore n.2. ore 24895 12/2011 ogni motore più di 60 000 h Fonte: GE Jenbacher
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!!!
Gassificatore a letto fluido Spain (Almond Shells) ENAMORA - Mora de Ebro (Tarragona) operation 12/06 gasifier 20 000 h engines 16 000 h K in oil 2 mg/kg no wear NH3: 5 500 ppm NOx Waukesha/Guascor: 4560 mg NOx/Nm³ @5% O2 (lean limit)
Problemi di potassio nel turbocompressore (2440 h di esercizio) impianto pilota in Austria Fonte: PGES
Condizione elementi 10 500 ore Spiez (2) Fonte: GE Jenbacher
Condizione elementi 10 500 ore Spiez (3) Fonte: GE Jenbacher
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.
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