Appunti Sistemi avanzati per l'energia e l'ambiente

UNIVERSITÀ DEGLI STUDI DI BERGAMO

Dipartimento di Ingegneria e Scienze Applicate

Sistemi avanzati

per l’energia e l’ambiente

· ·

Celle a combustibile Idrogeno Microturbine a gas

·

Motori a combustione interna Combustibili solidi

· ·

Energia da rifiuti e biomassa IGCC Cicli ORC

Corso Sistemi energetici e sistemi avanzati per l’energia e

l’ambiente

Docente prof.ssa Silvia Ravelli

Appunti a cura di Cristiano Rollo

Anno accademico 2019/2020

Indice

Notazione 4

I La generazione di piccola taglia 6

1 Generazione distribuita e cogenerazione 7

1.1 I campi di taglia e di rendimento . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7

1.2 La produzione decentralizzata . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7

1.3 L’indice di risparmio energetico . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8

2 Celle a combustibile 10

2.1 Il principio di conversione . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10

2.2 Il processo ideale . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11

2.3 Il processo reale . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13

2.4 Le famiglie di celle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14

2.5 Il sistema . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20

2.6 La produzione dell’idrogeno . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21

2.7 Le prestazioni . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25

2.8 Le applicazioni cogenerative . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26

2.9 Il funzionamento fuori progetto . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28

2.10 Le emissioni . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30

2.11 Il mercato . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31

3 Idrogeno 32

3.1 Le proprietà fisiche . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32

3.2 Le proprietà chimiche . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33

3.3 Lo stoccaggio . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35

3.4 Le filiere . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42

4 Microturbine a gas 45

4.1 Che cos’è una microturbina . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45

4.2 Il processo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45

4.3 L’architettura della macchina . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48

4.4 Le prestazioni . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51

4.5 Il funzionamento fuori progetto . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52

4.6 L’avviamento . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55

4.7 La flessibilità di combustibile . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55

4.8 Le emissioni e gli sviluppi . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56

4.9 Le APU . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56

4.10 Il ciclo ibrido . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57

1

Indice 2

5 Motori a combustione interna 60

5.1 Che cos’è un motore alternativo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60

5.2 Il ciclo reale . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60

5.3 Le configurazioni . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62

5.4 Le prestazioni . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63

5.5 La sovralimentazione . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65

5.6 Le applicazioni cogenerative . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65

5.7 I modi di funzionamento . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67

5.8 Il funzionamento fuori progetto . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67

5.9 La flessibilità di combustibile . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69

5.10 Le emissioni . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70

5.11 L’avviamento . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71

II Combustibili solidi, rifiuti e biomassa 72

6 Combustione dei combustibili solidi 73

6.1 La combustione eterogenea . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73

6.2 Essiccazione . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73

6.3 Devolatilizzazione . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73

6.4 Ignizione . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 74

6.5 Formazione delle ceneri . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 80

7 Energia da rifiuti e biomassa 82

7.1 Le vie di conversione . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 82

7.2 Il rifiuto come combustibile . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 83

7.3 La combustione . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 84

7.4 Il ciclo termico . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 90

7.5 La depurazione dei fumi . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 92

7.6 Il bilancio di massa e i residui . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 100

7.7 La gassificazione . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 100

7.8 La pirolisi . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 105

7.9 La digestione anaerobica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 105

7.10 Le soluzioni su impianti esistenti . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 107

7.11 L’indice di efficienza energetica R1 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 109

8 Impianti IGCC 110

8.1 Che cos’è un IGCC . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 110

8.2 L’alimentazione del combustibile . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 111

8.3 L’unità di separazione dell’aria . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 111

8.4 La gassificazione . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 111

8.5 Il raffreddamento del syngas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 112

8.6 La depurazione del syngas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 113

8.7 La turbina a gas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 114

8.8 L’integrazione con il ciclo combinato . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 114

8.9 Le prestazioni e la diffusione . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 117

8.10 IGCC e cattura dell’anidride carbonica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 117

Indice 3

III Il recupero del calore a bassa temperatura 122

9 Cicli Rankine a fluido organico 123

9.1 Che cos’è un ORC . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 123

9.2 Perché un fluido organico . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 123

9.3 Il ciclo subcritico . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 125

9.4 Il ciclo supercritico . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 125

9.5 La scelta del fluido di lavoro . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 126

9.6 Le applicazioni . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 129

9.7 Le prestazioni . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 131

Notazione

Le grandezze che ricorrono in più di un capitolo sono raccolte qui con il simbolo e l’unità

adottati nel testo. I simboli usati in un capitolo solo sono definiti dove compaiono. Le sigle

sono quelle internazionali, sciolte alla prima occorrenza di ogni capitolo.

Potenze ed energie

P Potenza elettrica kW.

.

el

P Potenza termica utile kW.

.

th =

P P ṁ

Potenza chimica introdotta con il combustibile kW. Vale LHV.

. c

ch ch

Q. Potenza termica scambiata kW.

w. Lavoro specifico kJ/kg. 3

LHV. Potere calorifico inferiore MJ/kg, o MJ/m normale per i combustibili gassosi.

HHV. Potere calorifico superiore, stesse unità.

Rendimenti

Rendimento elettrico del sistema completo.

.

η el Rendimento termico, o rendimento di un processo di produzione del combustibile.

.

η th Rendimento della cella reversibile.

.

η rev Rendimento unitario della cella a combustibile.

.

η stack

Efficacia del rigeneratore.

ε.

U Fattore di utilizzo del combustibile.

.

f

IRE. Indice di risparmio energetico della cogenerazione.

Grandezze di stato e di processo

◦

T. Temperatura K o C, secondo quanto dichiarato.

p. Pressione bar o Pa.

h. Entalpia specifica kJ/kg.

( )

s. Entropia specifica kJ/ kg K .

ṁ. Portata massica kg/s.

r p

Rapporto di compressione, /p .

.

p 2 1

Rapporto dei calori specifici.

γ.

∆G. Variazione di energia libera di Gibbs kJ/mol.

∆H. Variazione di entalpia di reazione kJ/mol. Negativa per le reazioni esotermiche.

∆T Differenza di temperatura media logaritmica K.

.

ml

Grandezze elettrochimiche

E Potenziale reversibile della reazione V.

.

rev ◦

0

E Potenziale reversibile allo stato di riferimento (25 C, 1 bar) V.

. 4

NOTAZIONE 5

( )

E nF

Potenziale equivalente della potenza chimica introdotta, LHV/ V.

.

LHV

V Tensione effettiva ai morsetti della cella V.

.

cell 2

i. Densità di corrente A/cm .

F. Costante di Faraday, 96 485 C/mol.

n. Numero di elettroni scambiati nella reazione.

Sigle ricorrenti fuel cell).

Cella a combustibile alcalina (alkaline

AFC. power unit).

Gruppo di potenza ausiliaria (auxiliary

APU. separation unit).

Unità di separazione dell’aria (air

ASU. capture and storage).

Cattura e stoccaggio dell’anidride carbonica (carbon

CCS. refuse derived fuel.

Combustibile derivato da rifiuti; in inglese RDF,

CDR. bubbling fluidized bed).

Letto fluido circolante e bollente (circulating e

CFB, BFB. Produzione combinata di energia elettrica e termica, e con l’aggiunta del freddo

CHP, CCHP. heat and power, combined cooling, heating and power).

(combined methanol fuel cell).

Cella a metanolo diretto (direct

DMFC. warming potential).

Potenziale di riscaldamento globale (global

GWP. gasification combined cycle).

Ciclo combinato con gassificazione integrata (integrated

IGCC. carbonate fuel cell).

Cella a carbonati fusi (molten

MCFC.

Motore alternativo a combustione interna.

MCI. Rankine cycle).

Ciclo Rankine a fluido organico (organic

ORC. acid fuel cell).

Cella ad acido fosforico (phosphoric

PAFC. Policlorodibenzodiossine e policlorodibenzofurani.

PCDD, PCDF. electrolyte membrane fuel cell).

Cella a membrana polimerica (polymer

PEMFC. swing adsorption).

Adsorbimento a pressione oscillante (pressure

PSA. Riduzione catalitica selettiva e riduzione non catalitica selettiva.

SCR, SNCR. oxide fuel cell).

Cella a ossidi solidi (solid

SOFC. inlet temperature).

Temperatura di ingresso turbina (turbine

TIT. gas shift).

Reazione di conversione del monossido di carbonio (water

WGS. Parte I

La generazione di piccola taglia

6

Capitolo 1

Generazione distribuita e cogenerazione

1.1 I campi di taglia e di rendimento

potenza elettrica nominale erogata ai morsetti del generatore. È

Taglia di un impianto:

il parametro con cui si classificano le tecnologie di conversione, perché fissa insieme il

rendimento raggiungibile, il costo specifico e il campo di applicazione.

Le tecnologie trattate nel corso coprono sette decadi di taglia, dal kW al GW, e si

dispongono nel piano taglia — rendimento elettrico come mostra la figura 1.1.

cells, Taglia massima dell’ordine di qualche MW. Nonostante

Celle a combustibile (fuel FC).

la taglia ridotta il rendimento elettrico è di circa il 50 %, con variazioni contenute in funzione

della configurazione adottata. Coprono da qualche kW a qualche decina di MW, con

Motori a combustione interna (MCI).

rendimenti elettrici fino a circa il 45 %.

Fascia dalle decine alle centinaia di kW, con rendimenti elettrici fra il

Microturbine a gas.

25 % e il 33 %.

heavy duty aeroderivative, Sono le macchine viste nel cor-

Turbine a gas e turbine a vapore.

so di Sistemi energetici e occupano la fascia alta della taglia.

Gasification Combined Cycle). Grande taglia, con rendimenti fra

Impianti IGCC (Integrated

il 40 % e il 50 %. Combinano una cella a combustibile ad alta temperatura e una turbina

Cicli ibridi FC + TG.

a gas. Raggiungono rendimenti elettrici anche del 70 % pur restando di taglia ridotta; la

soluzione non è ancora matura per l’applicazione industriale.

Nella fascia compresa fra 100 kW e 1 MW i campi si sovrappongono: motori, microturbine,

celle a combustibile e cicli Rankine a fluido organico si scelgono l’uno o l’altro per rendimento,

combustibile disponibile ed emissioni, non per taglia.

1.2 La produzione decentralizzata

generazione di energia elettrica in impianti di piccola taglia

Produzione decentralizzata:

collocati in prossimità dell’utenza, in luogo di pochi impianti di grande taglia collegati

all’utenza da una rete di distribuzione.

È il modello verso cui si muovono gli sviluppi delle tecnologie di questo corso, e ne

spiega i due caratteri comuni: taglia piccola e rendimento elettrico competitivo con quello

degli impianti grandi. La vicinanza all’utenza aggiunge un secondo effetto, che il modello

centralizzato non può sfruttare: il calore di scarto diventa utilizzabile.

Produzione combinata di potenza elettrica e potenza termica utile a

Cogenerazione.

partire dallo stesso combustibile e nello stesso impianto. Il calore che nella produzione

di sola potenza elettrica viene ceduto all’ambiente è qui recuperato a una temperatura

utile all’utenza. 7

1. Generazione distribuita e cogenerazione 8

Figura 1.1: Campo di taglia e di rendimento elettrico delle tecnologie di conver-

0,1 kW 1 GW.

sione. L’ascissa è logaritmica e copre sette decadi, da a I campi si

100 1000 kW

sovrappongono: nella fascia da a convivono motori a combustione

interna, microturbine, celle a combustibile e cicli ORC, che si distinguono per

rendimento e non per taglia.

1.3 L’indice di risparmio energetico Primary Energy Savings):

(IRE, o PES, frazione di combustibile

Indice di risparmio energetico

risparmiata dall’impianto cogenerativo rispetto alla produzione separata delle stesse potenze

elettrica e termica. P

Il termine di confronto è la produzione separata, cioè la potenza elettrica prodotta

el

P

in una centrale elettrica di rendimento e la potenza termica prodotta in una caldaia

η el th

di rendimento . La potenza chimica che le due macchine separate richiederebbero è la

η th,C

somma dei due rapporti, e l’indice è il complemento a uno del rapporto fra la potenza chimica

effettivamente spesa e quella di riferimento:

P P

ch ch

− −

= = (1.1)

IRE 1 1 P P

+

P P el th

ch,el ch,th +

η η

el th,C

P P

con = potenza chimica entrante nell’impianto cogenerativo, = potenza elettrica prodotta,

ch el

P = potenza termica utile prodotta, = rendimento elettrico della centrale di riferimento,

η

th el

= rendimento della caldaia di riferimento.

η th,C

Un valore positivo dell’indice significa che la cogenerazione consuma meno combustibile

della produzione separata; un valore nullo individua la condizione di indifferenza.

e non sono proprietà dell’im-

L’indice dipende dai rendimenti di riferimento. η η

el th,C

pianto cogenerativo ma dello scenario con cui lo si confronta. Uno scenario avanzato,

1. Generazione distribuita e cogenerazione 9

=

che assume una centrale elettrica di rendimento elevato, alza la retta a IRE 0 e rende

la cogenerazione conveniente in un campo più stretto.

Nel piano rendimento termico — rendimento elettrico della figura 1.2 la condizione

=

IRE 0 è una retta, e i campi delle tecnologie cogenerative cadono tutti al di sopra di

entrambe le rette di riferimento, sia in scenario convenzionale sia in scenario avanzato.

Figura 1.2: Campi di funzionamento delle tecnologie cogenerative nel piano

=

IRE 0

rendimento termico — rendimento elettrico. Le due rette sono i luoghi a

per lo scenario avanzato (retta alta) e per quello convenzionale (retta bassa):

>

IRE 0

un campo che sta sopra la retta ha e conviene rispetto alla produzione

separata. I riferimenti fra parentesi sono ai capitoli del manuale da cui la figura è

tratta, non a quelli di questo libro. I campi di funzionamento delle

La cogenerazione conviene in entrambi gli scenari.

=

tecnologie di piccola taglia stanno sopra la retta a IRE 0 anche nello scenario avanzato,

quello meno favorevole: il risparmio di combustibile rispetto alla produzione separata

resta positivo.

Capitolo 2

Celle a combustibile

2.1 Il principio di conversione

cell):

(fuel dispositivo che converte l’energia chimica di un combustibile

Cella a combustibile

direttamente in energia elettrica per via elettrochimica, senza combustione. La conversione

produce corrente continua e prosegue finché il combustibile è alimentato.

Nei sistemi energetici visti finora la catena di conversione è a quattro stadi: un reattore

trasforma l’energia chimica in energia termica, un ciclo te