Impatto ambientale dei sistemi energetici

Impatto ambientale dei sistemi energetici – a. De pascale

Programma

1) Introduzione

Inquinamento atmosferico dai sistemi energetici. Dispersione e gradiente termico; stabilità atmosferica;

Diffusione da camino. U.d.m. degli inquinanti in aria. NOx e CO: meccanismi di formazione; effetti

sull'ambiente.

2) Elementi di combustione ai fini dell'impatto dei sistemi energetici

Definizioni e variabili chiave: miscele, limiti di infiammabilità, temperature. Modalità di combustione

premiscelata e non premiscelata; le velocità di combustione.

3) Impatto ambientale dei gruppi turbogas e dei cicli combinati

Condizioni al contorno e camere di combustione convenzionali: architettura e funzioni. Formazione

inquinanti nel TG, localizzazione e metodi per il controllo emissioni. Tecnologie per combustori a ridotto

impatto: inerti, staging, lean premix. Aspetti funzionali e architetture di alcuni combustori DLN di macchine

di ultima generazione. Cenni su combustori catalitici. Sistemi di post-trattamento: l'SCR e lo SCONOX.

Emissioni al variare del carico; le emissioni a consuntivo. L'utilizzo dell'idrogeno nelle turbine a gas.

4) Inquinamento termico dai sistemi energetici

La potenza scaricata dai Sistemi di raffreddamento. Circuito aperto ed impatto ambientale. Torre evaporativa

architetture e consumi di acqua. Torre a secco e ibrida: pennacchio. Condensatore ad aria e sistema con

condensatori acqua/ aria in parallelo. Le emissioni di PM dalle torri evaporative.

5) I sistemi frigoriferi e l'impatto ambientale

I sistemi a compressione: prestazioni energetiche; fluidi frigoriferi: il cloro e l'impatto sull'ambiente (ODP); i

fluidi sostitutivi HFC e HFO, cenni alla nomenclatura ASHRAE. La CO dai combustibili e l'effetto serra; il GWP

2

e il TEWI per i sistemi frigoriferi. Impianti criogenici per la liquefazione dei gas.

6) I sistemi ORC per il recupero di cascami termici

Architettura del ciclo termodinamico, proprietà dei fluidi, caratteristiche delle macchine. Indicatori delle

prestazioni.

7) Impatto ambientale dei sistemi a combustione esterna

Gruppi a vapore USC e il carbone. Bruciatori per il polverino. Sistemi WTE e sistemi ibridi. Emissioni e controllo

degli NOx (air staging, fuel staging, FGR). Il PM: caratterizzazione; formazione; effetti nocivi. Post-trattamenti:

e disposizioni dei post-trattamenti nella linea fumi. Combustione a letto fluido e PFBC. Sistemi integrati.

Gassificazione carbone e IGCC. Tecniche di contenimento delle emissioni di CO2, compressione /

liquefazione.

8) Impatto di alcuni sistemi a fonti rinnovabili senza combustibili e sistemi ibridi

Sistemi geo-termoelettrici: architetture, impatto. Impianti ibridi. Energia eolica: potenza disponibile e limite;

efficienze. 1

18/9

1. Introduzione

Dispersione degli inquinanti in atmosfera

Dipende fortemente da:

• Condizioni meteorologiche:

⬧ →

Ventosità trasporto;

⬧ →

Gradienti termici verticali stabilità / instabilità dell’atmosfera (moti verticali ostacolati /

favoriti);

• Diffusione nell’aria.

1) Calcolo del gradiente termico in condizioni adiabatiche (aria secca)

Hp (ipotesi):

⬧ →

aria = gas perfetto: pv = RT dp/p + dv/v = dT/T

⬧ →

k

trasformazione adiabatica ideale: legge delle t. isoentropiche pv = cost dp/p + k dv/v = 0

⬧ conservazione dell’energia E: cdc + gdz + dp/ + dR + dL = 0

Ulteriori hp:

⬧ atmosfera in quiete: cdc = 0

⬧ condizioni isoentropiche: dR = 0

⬧ assenza di scambi di lavoro: dL = 0

Dalla 2° eq.: dv/v = - 1/k dp/p →

Sostituendo nella 1°: dp/p – 1/k dp/p = dT/T dp/p = dT/T * k/(k-1)

Sostituendo nella 3°: gdz + v * p/T * k/(k-1) dT = 0 in cui v*p/T = R

Da cui: dT/dz = - g/R * (k-1)/k = cost

2

Sono note g = 9,81 m/s , R = 288 J/(°C*kg), k = 1,4

Gradiente adiabatico secco: 2

Quindi l’andamento della temperatura con la quota è lineare:

z.

Si può pertanto scrivere: T(z) = To –

Il gradiente calcolato è determinante per individuare le condizioni di stabilità o instabilità dell’atmosfera,

ossia le condizioni in cui i movimenti verticali sono rispettivamente ostacolati o favoriti.

Supponendo che una particella si sposti (rapidamente, quindi in modo adiabatico, affinché la trasformazione

sia isoentropica) dalla quota z a z +z, la sua temperatura subirà una variazione secondo la legge

0 0

dell’isoentropica e diventerà quindi T . L’aria circostante invece ha T = T . Siccome la densità è

 reale

inversamente proporzionale a T:

⬧ →

se T < T la particella è più densa e pesante dell’aria circostante e tenderà a scendere

 reale

nuovamente (atmosfera stabile, moto verticale ostacolato);

⬧ →

se T > T la particella è meno densa e più leggera dell’aria circostante e tenderà a salire

 reale

ulteriormente (atmosfera instabile, moto verticale favorito).

Per inquinanti emessi ad esempio da un camino, la situazione favorevole alla dispersione è quella di

atmosfera instabile.

Si possono presentare situazioni di INVERSIONE TERMICA, che ostacolano la dispersione degli inquinanti.

3

AL SUOLO

Es. Al mattino il terreno è freddo e il sole scalda l’aria più velocemente che il terreno (situazione transitoria).

Tipico in inverno nella pianura Padana (situazione stagionale).

Strato di inversione: tipicamente poche decine di metri, max 100-200 m.

Se l’inquinante è rilasciato da una sorgente (es. cima del camino) a un’altezza superiore alla zona di

inversione, la dispersione è possibile. Al contrario, la dispersione verticale è sfavorita se l’emissione è

all’interno della zona di inversione, con conseguente accumulo. Per questo, i grossi impianti (es. grosse

centrali termoelettriche) hanno camini di altezza di 150 – 200 m.

IN QUOTA

2) Concentrazione di inquinanti in aria

Hp: ⬧ sorgente puntiforme (es. cima del camino di altezza H);

:

⬧ →

atmosfera in equilibrio indifferente (|dT/dz|= condizioni né stabili, né instabili il profilo

verticale di T non influisce sulla minore o maggiore dispersione);

⬧ presenza di vento orizzontale di velocità v uniforme.

Calcolo della concentrazione dell’inquinante in aria:

3

C = M /V [kg/m ] = f (x,y,z,t)

inq aria 4

Scelta del sistema di riferimento:

Influiscono molti fattori: legge di variazione di emissione del camino, evoluzione della ventosità, aspetti

orografici (geometria del sito: es. montagne o edifici che ostacolano la dispersione). Tuttavia ci si pone in

condizioni semplificate e si trascurano questi aspetti.

Vale l’eq. del trasporto dell’inquinante, che si può scrivere in forma qualitativa (con approccio euleriano):

∂C/∂t = – F – F – F + S (sorgente)

convezione diffusione turbolenze

Si possono fare hp. semplificative:

⬧ S = 0 in tutti i punti tranne la cima puntiforme del camino;

⬧ F inizialmente trascurabile (successivamente si applicherà una traslazione a tutti i punti dello

conv

spazio, dato che la velocità è uniforme);

⬧ →

F = F + F termini diffusivi con medesima struttura matematica: legge di Fick.

diffusione turbolenze

∂C/∂t 2

∇

= – F = D C con D = coefficiente di diffusione

diff+turb

Quindi la dispersione di un inquinante è influenzata dalla diffusione dell’inquinante stesso nel mezzo = aria.

La soluzione dell’eq. precedente permette di determinare l’incognita C.

Si ottiene una eq. differenziale alle coordinate parziali, semplificabile con ulteriori hp:

⬧ Si trascura la diffusione orizzontale (prevale il trasporto per convezione causato dal vento): 1°

termine = 0. La diffusione è rilevante solo nel disco di diffusione perpendicolare alla direzione x:

(y,t) (z,t)

⬧ Separazione delle variabili: C = C (y,z,t) = *

Il 1° termine è una funzione di y, il secondo è funzione di z: la loro somma è nulla solo se sono entrambe

nulle, cioè se sono nulle le due parentesi. Si può quindi scrivere come un sistema:

5

La soluzione è una funzione di tipo gaussiano, esponenziale, con k e k = costanti di integrazione incognite,

1 2

il cui prodotto è A.

Quindi la diffusione segue un profilo gaussiano sul piano yz, a cui si sovrappone la traslazione orizzontale

dovuta al vento uniforme: il risultato è un cono di diffusione.

t m,

Per determinare A, si sfrutta un’eq. al contorno: in esce dal camino una che subisce per effetto del

x m x,

vento uno spostamento = v*t. Quindi occuperà un disco di spessore appartenente al cono.

Si può scrivere:

Considerando solo un quarto del disco (ad es. y>0, z>0, cioè entrambi [0, +∞]):

(Qui K sta per A) 6

Gli ultimi 2 integrali sono integrali di Gauss:

Si può sfruttare l’integrale noto con un cambio di variabili:

Si può quindi scrivere l’espressione completa di C:

Si può riscrivere in funzione anche di x, ricordando che v = x/t:

m/t

Il primo fattore può rappresentare la massa emessa in un certo intervallo di un evento transitorio, ma

anche la portata in camino di un’emissione costante, rispetto a cui C è quindi direttamente proporzionale.

C cala all’aumentare della distanza ed è inversamente proporzionale alla velocità del vento.

I coefficienti di diffusione sono di difficile misura: è preferibile passare ai coefficienti di dispersione, a cui

sono legati dalle seguenti definizioni. 7

Sono più facilmente calcolabili tramite correlazioni semi-empiriche, del tipo:

in cui a, b, c sono parametri empirici stabiliti in base alle condizioni meteorologiche.

Si riscrive pertanto:

Se si tiene conto dell’effetto della gravità (rilevante ad es. per particolato), si introduce una componente

verticale aggiuntiva della velocità = velocità di deposizione v . Il risultato è un’inclinazione verso il basso

G

dell’asse del cono. Se ne può tenere conto definendo il coefficiente di deposizione K come rapporto fra la

v

velocità di deposizione e quella orizzontale.

→

v = x/t; v =z/t K = v /v = z/x

G v G

Si deduce che lo spostamento introdotto dalla gravità è z = K *x. Sostituendo nell’espressione di C:

v

Concentrazione in aria in presenza di:

⬧ diffusione in direzione y, z,

⬧ trasporto orizzontale (vento),

⬧ deposizione per gravità.

3) Concentrazione di inquinanti al suolo

Hp: ⬧ z = H.

⬧ Annullamento della diffusione al suolo: l’effetto suolo è tenuto

matematicamente in conto considerando una sorgente

virtuale speculare, in modo da bilanciare la diffusione a livello

del suolo.

Occorre però dividere per 2 l’espressione di C, dal momento

che altrimenti in questo modo si otterrebbe una

concentrazione doppia al suolo.

⬧ →

Deposizione progressiva al suolo la massa di inquinante

diminuisce all’aumentare di x.

Occorre moltiplicare l’espressione di C per m(x), con m(x) ≤

m/t = m (portata emessa a camino). Concentrazione al suolo

8

24/9

Occorre ancora determinare il fattore incognito m(x). Si può esprimere la quantità di inquinante che si è

depositata da 0 a x come un integrale sulla superficie di deposizione:

È una condizione al contorno che permette di esplicitare m(x). Prima però si riscrive C in forma compatta:

con

Sostituendo nell’eq. precedente:

In cui si è sfruttato l’integrale noto di Gauss. 9  

Quindi tutti i parametri dell’espressione della C sono noti (m, H, v, K , , ) ed è possibile determinarne il

v y z

valore. Si determina la concentrazione al suolo massima.

In cui si è considerato m(x) = m: è un’ipotesi semplificativa a vantaggio della sicurezza.

C ↓ se:

max suolo

⬧ m↓

⬧ v↑

⬧ H↑ (→ unico parametro su cui si può agire in fase di progettazione)

⬧ K ↓

v

 

⬧ , ↑

y z

Correlazioni di Pasquill (non lineari), del tipo:

In cui a, b, c,… sono coefficienti

empirici correlati alle condizioni

meterorologiche.

Entrambi i coefficienti di dispersione

hanno un andamento logaritmico

crescente con x.

Pasquill ha schematizzato i diversi

scenari meteorologici di stabilità o

instabilità atmosferica (da A =

fortemente instabile, a F = fortemente

stabile).  

Se si considerassero , costanti in x, l’andamento di C con la x sarebbe un

y z

esponenziale negativo, cioè l’effetto più gravoso sarebbe vicino al camino.

10

 

Considerando invece la dipendenza da x di , , il punto di massima C = x non è di immediata

y z Cmax

determinazione.

Hp: ⬧ K = 0

v

   

⬧ = o = k (k=cost)

y z y z

Note le correlazioni di Pasquill, si può calcolare x :

Cmax

Si osserva che dipende da H: x è tanto maggiore (tanto più distante dal camino), quanto più il camino è

Cmax

alto. Fino a quel punto, si ha una zona d’ombra (nell’intorno del camino) in cui la concentrazione al suolo è

→

praticamente nulla. Per valori tipici di H = 100 m, x = 100 – 1000 m se ne deve tenere conto per la

Cmax

scelta del sito di una centrale.

Per un’analisi meno semplificata, si utilizzano programmi di calcolo (con diversi approcci: gaussiano,

euleriano, lagrangiano…) per realizzare mappe di concentrazione, indispensabili per la progettazione.

11

Unità di misura degli inquinanti in aria

Aria (semplificata) = 21% O + 79% N (in volume)

2 2

Microinquinanti, prodotto della combustione (sempre presenti i primi 2):

⬧ CO

⬧ NOx (NO, NO , N O, …)

2 2

⬧ SOx (SO , SO , …)

2 3

⬧ PM – Particulate Matter (particolato solido)

⬧ (U)HC – (Unburned) HydroCarbons:

 CH (molto stabile, poco reattivo)

4

 NMHC – Non Methane HC (reattivi, anche con le mucose dell’apparato respiratorio):

IPA (idrocarburi policlici aromatici), composti benzenici…

⬧ Metalli pesanti (Hg, Pb, Cd, …; derivanti dalla combustione di alcuni carboni)

⬧ Sostanze acide (HCl, HBr, HF, …)

⬧ Diossine (molecole complesse contenenti Cl, derivanti dalla combustione delle plastiche)

Microinquinanti secondari, prodotti dai primari:

⬧ O 3

⬧ NH

3

⬧ Fluidi frigoriferi (CFC, HFC, …)

+ CO , la cui quantità non è piccola; è un prodotto classico della buona combustione di idrocarburi, per cui

2

spesso non è nemmeno definito come un inquinante; inerte.

Quantificazione:

⬧ →

in aria qualità dell’aria (concentrazione)

⬧ →

nei fumi di S.E. (sistemi energetici) misura degli effluenti

In entrambi i casi da confrontare con il valore limite di legge.

Concentrazione:

⬧ → 6 -9

Molare [ppm 1 ppm = 1 mol inq./10 mol gas; o ppb = 10 ] (teoricamente più corretta)

⬧ →

Volumetrica [ppm] (più comoda nella pratica meccanismo degli strumenti di misura: volumetrico)

Se gas perfetto:

 per l’inquinante pV = n R T

i i 0

 per la miscela pV = n R T

tot tot 0

Da cui:

NB: Spesso si specifica ppm o ppm (vd

v vd

= volume dry: concentrazione misurata

sui volumi secchi)

L’acqua danneggia gli strumenti di

misura: apparati di disidratazione dei

fumi a monte. 12

⬧ In massa [ppm ] (tipicamente utilizzate per i limiti di legge)

m

Ma n non sono note per tutte le specie che compongono la miscela.

j

Ancora z non note. Spesso si utilizza un’u.d.m. alternativa che permette la conversione immediata

j 3 3

da z (o y misurato, [ppm]) a x : [mg/Nm ] o [g/Nm ].

i i i

in cui si riconosce M = massa molecolare media della miscela.

m 3

In condizioni normali (p=1 atm, T=0°C), 1 kmol di gas perfetto occupa 22,4 Nm e pesa M kg.

m

3

Quindi M kg = 22,4 Nm , che si può sostituire nell’espressione precedente:

m

A questo punto la conversione è immediata:

Diluizione

Le misurazioni a camino vanno riportate a un tasso di diluizione std (standard) convenzionale:

⬧ →

per TG (turbine a gas) 15% O 2

⬧ →

per MCI (motori a combustione interna) 5% O 2

⬧ →

per caldaie dipende dal combustibile:

 3% O se gas/liquidi,

2

 15% O se solidi,

2

 11% O se biomasse/rifiuti.

2 → →

I valori differenti dipendono dal diverso valore tipico dell’eccesso d’aria: TG grandi eccessi d’aria, MCI

piccoli eccessi, per le caldaie combustibili più difficili da bruciare richiedono maggiore eccesso.

13

Il procedimento di riconversione elettronica dei valori misurati a quelli di diluizione std può essere inteso

→

come una diluizione virtuale compiuta sui fumi (NB: le diluizioni fisiche sono vietate per legge reato

penale!) nel SME (sistema di misura delle emissioni) che comprende i sistemi di misura e di controllo della

conversione elettronica.

n = n° moli i = concentrazione di inquinante o = % ossigeno

Bilancio delle moli di inquinante:

→

i è nota; occorre ricavare n /n bilancio delle moli di ossigeno:

g A g

Con questo metodo si possono fare confronti fra sistemi energetici diversi (ma della stessa tecnologia, es. 2

caldaie, 2 turbine…).

Per indicare le concentrazioni, è oppurtuno specificare il tenore di ossigeno di riferimento, ad es.:

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Emissioni specifiche (o fattori di emissione)

Utilizzate (poco) per la quantificazione degli inquinanti emessi da S.E., al posto delle concentrazioni.

Input based

Questi fattori di emissione sono facilmente convertibili i