Tesina sulla Cogenerazione

8. IL FUTURISMO – LUCIANO FOLGORE

8.1. Brevi cenni sul Futurismo…………………………………………pag.36

8.2. Luciano Folgore

8.2.1. Vita e opere………………………………………………………… pag.38

8.2.2. L’elettricità…………………………………………………………. pag.39

9. THE INTERNAL COMBUSTION ENGINE

9.1. The four-stroke gasoline cycle…………………………………… pag.42

10. IL MOTO OSCILLATORIO ARMONICO………………………. pag.43

IMMAGINI RELATIVE AL CANTIERE DI MOTTOLA…………… pag.45

PREFAZIONE

Questo lavoro, inedito e personale, si è prefisso lo scopo di indagare ed approfondire alcuni

argomenti trattati durante l’Anno Scolastico, ormai giunto al termine.

Il mio lavoro è iniziato dall’analisi del processo di cogenerazione. Tale processo è applicato

in impianti industriali per la produzione combinata di energia elettrica e termica, ne è un

esempio l’impianto realizzato a Mottola.

A questo impianto si collega l’analisi del ciclo otto di meccanica, e con sistemi il

funzionamento tramite l’uso di un PLC. Inoltre in tecnologia meccanica approfondiremo

una delle problematiche che un impianto può presentare, ossia la corrosione e i rimedi che

consistono nella protezione dei materiali metallici. Vedremo il funzionamento del motore a

scoppio espresso in lingua inglese. Tratterò in disegno progettazione ed organizzazione

industriale il tipo di produzione ed i layout di cantiere, facendo riferimento all’esperienza

maturata nel suddetto cantiere situato nella zona industriale di Mottola. In storia prenderemo

in considerazione come la produzione di energia elettrica da fonti rinnovabili abbia avuto

origine nell’America dei primi anni trenta per contrastare la crisi del 1929.

Da notare come l’elettricità abbia affascinato autori della letteratura italiana, appartenenti al

movimento letterario futurista come Luciano Folgore, il quale pubblico ne “Il canto dei

motori” il testo “L’elettricità”. Riallacciandomi all’impianto menzionato precedentemente,

analizzeremo il tipo di società che ha commissionato il lavoro. Quest’ultima si identifica

come una Srl (società responsabilità limitata).

Senza voler ricercare collegamenti forzati, è innegabile il largo uso degli strumenti

matematici nelle materie tecniche. In questo caso ho voluto esporre il Moto Oscillatorio

Armonico. 1. LA COGENERAZIONE

Negli ultimi anni, soprattutto a livello europeo, si sta assistendo ad un crescente

interesse sia del mondo politico, sia di quello economico che civile nell’utilizzo delle

fonti di energie rinnovabili e nell’efficienza energetica. Un tale interesse è scaturito

dalla concomitanza di più fattori significativi quali:

1. la preoccupazione e la paura per un sistema energetico attuale non sostenibile sul

piano ambientale, a lungo come a breve termine; 2. una continua crescita del

prezzo dei combustibili

fossili;

3. una volontà di

incrementare

l’innovazione

tecnologica delle

imprese europee, sempre

più minacciate nei settori

tradizionali dalla concorrenza dei paesi caratterizzati da una produzione a basso

costo.

Si sta cercando sempre più di sviluppare, commercializzare e anche sostenere

economicamente, tramite un’adeguata normativa, tutte quelle tecnologie che

permettono l’utilizzo di fonti energetiche rinnovabili, le quali permettono di sfruttare

al meglio l’energia prodotta (efficienza energetica).

Fra quest’ultima categoria di tecnologie troviamo sicuramente la cogenerazione. Il

Parlamento Europeo, ai fini del raggiungimento degli obbiettivi di risparmio

energetico, ha riconosciuto la cogenerazione come una delle tecnologie più

importanti, includendo fra le proprie priorità la definizione di normative volte a

favorire la diffusione della tecnologia di cogenerazione. Nella definizione stessa di

cogenerazione si trova il primo importante vantaggio dell’utilizzo di questo tipo di

impianto, ovvero la produzione combinata di energia elettrica e termica. Si riducono

le spese per il combustibile, se confrontato con i classici sistemi di

approvvigionamento energetico, ovvero la caldaia a gas per l’energia termica e

l’acquisto dalla rete di energia elettrica; a ciò bisogna aggiungere la possibilità di

vendere alla rete l’energia elettrica prodotta in eccesso che è sicuramente un fattore

importante. Per quanto riguarda l’impatto ambientale, la cogenerazione presenta

sicuramente dei vantaggi: infatti, utilizza una minore quantità di carburante dovuto al

fatto che la produzione di energia termica ed elettrica avviene simultaneamente. Per

quantificare e rendere evidente tale vantaggio si riporta un semplice confronto tramite

la Figura 1, in cui, a fronte di uguali quantitativi energetici richiesti dalle utenze

termica ed elettrica, il sistema cogenerativo utilizza un quantitativo di combustibile

inferiore rispetto al quantitativo complessivo necessario nel caso di generazione

separata. Supponendo che un impianto cogenerativo, per produrre 38 unità di energia

elettrica e 45 unità di calore utile, consumi 100 unità di combustibile, il rendimento

termodinamico complessivo di conversione, inteso come rapporto tra l’energia utile

prodotta (38+45) e l’energia

Figura 1 Differenza energetica tra il sistema

cogenerativo e quello convenzionale. primaria del combustibile utilizzato

(100), risulta dell’83%. Se si considera invece il caso di produzione separata,

supponendo di produrre 38 unità di energia elettrica con una centrale termoelettrica

avente un rendimento elettrico di circa il 40% e 45 unità di calore utile con una caldaia

avente un rendimento termico pari a circa l’80%, si avrebbe un consumo di combustibile

pari a 148 unità di combustibile. Il risparmio di energia primaria conseguibile con la

cogenerazione è dunque pari al 28%.

1.1. Descrizione dell’impianto

Di seguito, viene riportata una breve descrizione dell’impianto di cogenerazione

realizzato a Mottola. L’impianto è strutturato, come possiamo vedere in Figura 2, nei

seguenti componenti:

1. area stoccaggio combustibile: è una zona dedicata al deposito di combustibile

utilizzato per alimentare il motore;

2. motore a combustione interna: in cui avviene la conversione da energia chimica ad

energia meccanica attraverso la combustione di una miscela aria-combustibile;

3. alternatore: è una macchina elettrica rotante, che trasforma l’energia meccanica in

Figura 2 Struttura di un impianto di cogenerazione.

energia elettrica sotto forma di corrente alternata;

4. valvola deviatrice a tre vie: permette la scelta in due direzioni differenti del passaggio

del fluido, nel nostro caso fumi;

5. generatore di vapore: realizza il riscaldamento di un liquido, nel nostro caso acqua,

provocandone l’ebollizione in modo continuo ed in condizioni controllate, per

impiegarlo come vettore energetico (vapore);

6. PLC: consente di gestire l’intero impianto in maniera completamente automatica.

1.2. Cenni sul funzionamento

Abbiamo visto i componenti dell’impianto, ora vediamo il loro funzionamento. Il

motore è una macchina capace di trasformare una sorgente di energia chimica in

energia meccanica o lavoro meccanico, la potenza prelevata dall’albero motore è

usata per la trazione e la produzione di elettricità. L’energia elettrica viene prodotta

da un alternatore collegato meccanicamente al motore, trasformando l’energia

meccanica in energia elettrica alternata, successivamente immessa nella rete. Il calore

sottratto ai cilindri attraversa uno scambiatore, dove avviene uno scambio di energia

termica tra due fluidi a temperature diverse. Lo scambiatore, che in pratica sostituisce

la caldaia, produce acqua calda utilizzata per tanti usi tra cui, acqua sanitaria, e tutti i

tipi di riscaldamento civile e industriale. Il ciclo che compie il motore produce gas di

scarico (fumi) ad una temperatura di circa 300° C, che attraverso una tubazioni

vengono convogliati all’interno del generatore di vapore. Il generatore di vapore,

attraversato al suo interno dai fumi, permette il riscaldamento di un liquido (nel

nostro caso acqua) provocandone l’ebollizione e successivamente la produzione di

vapore utilizzabile in tanti processi industriali. Tra il motore e il generatore troviamo

una valvola a tre vie che permette, in caso di guasti, di escludere il generatore e

scaricare i fumi di scarico direttamente in atmosfera evitando così il fermo del

motore, che provocherebbe un danno economico. Lo sfruttamento di calore e

pressione non comporta un aumento dei consumi, poiché sono scarti del processo di

conversione da energia chimica ad energia meccanica attuato dal motore. L’intero

processo viene controllato e gestito da un PLC: è un controllore per industria

specializzato in origine nella gestione o controllo dei processi industriali.

2. MOTORI A COMBUSTIONE INTERNA

MATERIA: MECCANICA

2.1. Costituzione e classificazione

Nei motori endotermici alternativi l’energia termochimica del combustibile è

trasformata in energia meccanica, utilizzando la spinta esercitata dai prodotti della

combustione su un pistone o stantuffo che si muove, con moto alternativo ed a tenuta,

all’interno di un cilindro. Il movimento dello stantuffo è convertito in moto rotatorio

e trasmesso all’albero motore mediante una biella ed una manovella. Superiormente,

il cilindro è chiuso da una testata o testa, con o senza valvole. Questi motori si

possono classificare secondo:

1. il sistema di accensione del combustibile (motori ad accensione per scintilla e per

compressione);

2. il metodo di immissione del combustibile nel cilindro (motori a carburazione e ad

iniezione);

3. il ciclo operativo (motori a 4 tempi e a 2 tempi);

4. il tipo di combustibile impiegato.

2.2. Il ciclo ideale

Il ciclo di funzionamento dei motori a combustione interna alternativi è a quattro

tempi e si volge in quattro fasi successive (Figura 3):

1. Aspirazione: il pistone è al punto morto superiore (PMS) della corsa, la valvola

di aspirazione è aperta, quella di scarico chiusa; supposto che il motore sia già

avviato, il pistone, scendendo verso il punto morto inferiore (PMI), aspira nel

cilindro un volume di miscela (motore a carburazione) o di aria (motori a

iniezione) teoricamente eguale al volume della cilindrata.

2. Compressione: le valvole sono entrambe chiuse; il pistone, procedendo verso il

punto morto superiore (PMS), comprime il fluido aspirato la cui pressione e

temperatura aumentano in misura notevole.

3. Combustione – Espansione: quando il pistone ha raggiunto il PMS, si fa

avvenire la combustione o facendo scoccare una scintilla tra gli elettrodi delle

candele (motore a scoppio), oppure iniettando gasolio finemente polverizzato

che brucia spontaneamente a contatto dell’aria (motore Diesel). I gas prodotti

dalla combustione spingono violentemente il pistone verso il PMI, imprimendo

così il moto all’albero motore. In questa fase (fase motrice) le valvole sono

entrambe chiuse.

Figura 3 Ciclo di funzionamento di un motore a carburazione a 4

tempi.

4. Scarico: quando il pistone ha raggiunto il PMI si apre la valvola di scarico, che

consente l’espulsione dei gas combusti durante il movimento di ritorno verso il

PMS.

Quando il pistone è giunto a fine corsa, si chiude la valvola di scarico e si apre quella

di aspirazione, e il ciclo ricomincia.

Il funzionamento descritto corrisponde al ciclo ideale; in effetti, il ciclo reale presenta

le seguenti differenze:

l’apertura della valvola di aspirazione non avviene istantaneamente, ma inizia prima

che il pistone abbia raggiunto il PMS;

la valvola di scarico si chiude dopo che il pistone è giunto al PMS, pertanto per un

breve tempo le valvole sono contemporaneamente aperte e, mentre da una parte inizia

l’afflusso della miscela o dell’aria, dall’altra continua lo scarico dei gas per inerzia;

per questa ragione, durante l’aspirazione e la compressione la miscela fresca (o l’aria)

si mescola con quanto è rimasto dei gas del ciclo precedente;

la valvola di aspirazione è chiusa con un certo ritardo, quando il pistone ha già iniziato