Cogenerazione distribuita con microturbine a gas

COGENERAZIONE DISTRIBUITA CON
MICROTURBINE A GAS
M. Pinelli
ENERGY SYSTEM RESEARCH GROUP
ENDIF – Engineering Department in Ferrara
University of Ferrara (ITALY)
[email protected] - tel. 0532 974889
Workshop “Fonti energetiche alternative” – Ferrara, 30 Ottobre, 2006
Agenda
• La Microcogenerazione Distribuita (micro
Combined Heat and Power)
• Le Microturbine a Gas
• Perchè Microturbine a Gas
• Ipotesi di ricerca
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Micro Cogenerazione Distribuita
• Micro Cogenerazione Distribuita (MicroCHP): produzione
combinata di energia elettrica e termica con generatori di bassa
potenza (< 1 MW) dislocati sul territorio
• La MicroCHP rappresenta una delle opportunità di maggiore
interesse per affrontare le questioni energetiche attuali
liberalizzazione del mercato dell’energia
impatto ambientale
certezza dell’approvvigionamento
sfruttamento delle risorse locali (biocombustibili)
• Alta efficienza di conversione del combustibile (fino all’80 %)
• Bassi costi di investimento
• Basse emissioni
Micro Cogenerazione Distribuita
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Micro Cogenerazione Distribuita
Micro Cogenerazione Distribuita
• Micro Cogenerazione Distribuita (MicroCHP) può essere
effettuata utilizzando numerose soluzioni per quanto riguarda i
motori primi
9 Motori a combustione interna
9 Turbine a gas
Consolidate
9 MicroTurbine a gas
9 Sistemi fotovoltaici
9 Celle a combustibile (Fuel Cells)
Emergenti
9 Motori Stirling
• Tra le tecnologie emergenti, le MicroTubine a Gas sono tra le
più avanzate anche da un punto di vista commerciale
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MicroTurbine a Gas
• Con MicroTurbina a Gas si identificano le turbina a gas di
piccola/piccolissima taglia ( Pel = 30 kW÷600 kW)
• Costituita essenzialmente da
compressore centrifugo (monostadio)
camera di combustione (continua)
turbina centripeta (monostadio)
recuperatore
• Recupero di calore per
aumentare il rendimento
• Calore perduto concentrato
nei gas di scarico
MicroTurbine a Gas
compressore
camera di
combustione
turbina
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MicroTurbine a Gas
MicroTurbine a Gas
Turbec (100 kW)
Capstone (30-60 kW)
Elliot (100 kW)
Bowman (80 kW)
Ingersoll-Rand (70 kW)
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MicroTurbine a Gas
Turbec (100 kW)
Capstone (30-60 kW)
Bowman (80 kW)
TURBEC S.p.A. –
Cento (FE)
Elliot (100 kW)
Ingersoll-Rand (70 kW)
Perché MicroTurbine a Gas
• Tecnologia compatta e semplice
Alto rapporto potenza/peso e
potenza/ingombro
MGT Capstone C30
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Perché MicroTurbine a Gas
• Tecnologia compatta e semplice
Alto rapporto potenza/peso e
potenza/ingombro
Turbec T100 in an Hotel
Perché MicroTurbine a Gas
• Tecnologia compatta e semplice
• Modulare
50 MicroTurbine Capstone C30 al Lopez Canyon Power Plant
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Perché MicroTurbine a Gas
• Tecnologia compatta e semplice
• Modulare
• Robustezza in ambienti difficili
MGT
Perché MicroTurbine a Gas
• Tecnologia compatta e semplice
• Modulare
• Robustezza in ambienti difficili
• Rumore e vibrazioni contenute e bassi costi di manutenzione
Rumore
70-80 dB(A)@1m
Intervallo di manutenzione
Attuale → 8 000 h
Target → 11 000 h
Costi di manutenzione (sperim.)
0.01 €/kWh
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Perché MicroTurbine a Gas
• Tecnologia compatta e semplice
• Modulare
• Robustezza in ambienti difficili
• Rumore e vibrazioni contenute e bassi costi di manutenzione
• Emissioni ridotte
Perché MicroTurbine a Gas - Emissioni
NOx@15%O2
CO@15%O2
300÷500 mg/Nm3
50÷650 mg/Nm3
10÷50 mg/Nm3
20÷40 mg/Nm3
MicroTurbina
Motore a c.i.
MicroTurbina
Motore a c.i.
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Perché MicroTurbine a Gas
• Tecnologia compatta e semplice
• Modulare
• Robustezza in ambienti difficili
• Rumore e vibrazioni contenute e bassi costi di manutenzione
• Emissioni ridotte
• Adattabile a combustibili di natura diversa (bio-oli, bio-gas)
Perché MicroTurbine a Gas - Biogas
• Tollerabilità ad un vasto range di composizione del biogas
(ma comunque CH4 > 35 %)
• Rendimento pressoché costante al variare della % di CH4
• Buona tollerabilità al contenuto di H2S nel combustibile
Tollerabilità all’ H2S
Microturbina → 3000÷7000 ppm
Motore a c.i. → < 250 ppm
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Perché MicroTurbine a Gas
• Tecnologia compatta e semplice
• Modulare
• Robustezza in ambienti difficili
• Rumore e vibrazioni contenute e bassi costi di manutenzione
• Emissioni ridotte
• Adattabile a combustibili di natura diversa (bio-oli, bio-gas)
• Adatta per applicazioni cogenerative
La maggior parte del calore di scarto è
ad alta temperatura (≈ 300 °C) ed è
concentrata nei fumi
Applicazioni MicroTurbine a Gas
• Serre
• Piscine
• Cogenerazione in
applicazioni residenziali
• Applicazioni industriali
• Ospedali
• Università
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Perché no MicroTurbine a Gas
• Rendimenti elettrici della macchina da migliorare (η ≈ 30 %)
anche se per le taglie basse Motori a c.i e MicroTurbine a Gas sono
comparabili
• Prezzo della macchina ancora elevato (≈1000 €/kWel)
anche se in costante diminuzione con previsione in breve
di arrivare almeno a 500 €/kWel
Necessità di studio sulle MicroTurbine a Gas
• Il Department of Energy (DOE) ha tracciato le linee guida
per lo sviluppo dell MicroTurbine a Gas
9 Sviluppi sui materiali per migliorare le prestazioni
di alcuni componenti chiave (combustore ma
anche recuperatore di calore)
9 Monitoraggio delle installazioni esistenti per
acquisire conoscenza sui margini di sviluppo
9 Modellizzazione della combustione per studiare
l’efficienza dei combustori in termini di emissioni
e di flessibilità di alimentazione (ad es. idrogeno)
9 Integrazione della MTG con i siti di produzione e
con la rete elettrica
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Ricerca al Dipartimento di Ingegneria
• Studio di camere di combustione di Micro Turbine a Gas con
codici termofluidodinamici tridimensionali
9 Simulazione numerica per lo studio della fiamma e per la
previsione delle emissioni con alimentazione a combustibili
alternativi (biogas, syngas, ecc.)
Distribuz. di temperatura per una camera di combustione di
una turbina da 100 kWel
Ricerca al Dipartimento di Ingegneria
• Studio di sistemi cogenerativi basati su digestione anaerobica
con utilizzo di Micro Turbine a Gas
Cogenerazione domestica
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Ricerca al Dipartimento di Ingegneria
• Studio di sistemi cogenerativi basati su digestione anaerobica
con utilizzo di Micro Turbine a Gas
Cogenerazione in impianti di piccola-media taglia
Ricerca al Dipartimento di Ingegneria
• Studio di sistemi cogenerativi basati su digestione anaerobica
di RSU (Rifiuti Solidi Urbani)
da smaltimento
RSU
da digestione
anaerobica
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Ricerca al Dipartimento di Ingegneria
• Studio di sistemi cogenerativi basati su digestione anaerobica
di RSU (Rifiuti Solidi Urbani)
9 Impianto di selezione di Ostellato
9 Il progetto è stato ammesso a finanziamento della
Regione Emilia Romagna per un importo di 250.000
€, pari al massimo ammissibile
9 L’importo complessivo della realizzazione dell’impianto
è di 675.400 € (37% sul totale)
Ricerca al Dipartimento di Ingegneria
• Studio di sistemi cogenerativi basati su digestione anaerobica
di RSU (Rifiuti Solidi Urbani)
9 Impianto di selezione di Ostellato esistente, comprensivo
dell’ampliamento della sezione di digestione anaerobica
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