progetto per la realizzazione di una centrale elettrica da 1mwe

GMB ENGINEERING - DIPARTIMENTO ENERGIE RINNOVABILI – COGENERAZIONE
PROGETTO
PER LA REALIZZAZIONE
DI UNA CENTRALE ELETTRICA DA 1MWE
ALIMENTATA A CIPPATO DI LEGNA
SETTEMBRE 2009
Introduzione
Il fabbisogno di energia nel mondo cresce in modo esponenziale ed è destinato, pur con tutti gli
accorgimenti volti a migliorare l’efficienza dell’utilizzo finale, ad aumentare. La principale fonte
energetica utilizzata attualmente sono i combustibili fossili, il risultato di un lungo processo
(milioni di anni) di decomposizione della sostanza organica in particolari condizioni fisiche e
chimiche. Si tratta quindi di una risorsa limitata e non rinnovabile nel breve periodo.
I giacimenti di combustibili fossili sono uno dei più importanti serbatoi di carbonio del pianeta,
dove sono immagazzinati 12.000 miliardi di tonnellate di carbonio. Ogni volta che un
combustibile fossile viene estratto e bruciato per produrre energia, si estrae carbonio dal
sottosuolo e lo si immette nell’atmosfera sotto forma di anidride carbonica.
L’anidride carbonica è uno dei principali responsabili dell’effetto serra, che sta provocando
l’innalzamento della temperatura del pianeta. Di conseguenza, il ricorso a fonti energetiche
rinnovabili è sempre più una scelta non solo politica ma etica.
Fra gli impegni presi in sede internazionale in tema di salvaguardia dell’ambiente, l’Italia ha posto
come obiettivo per il 2010 che il 25% dell’energia elettrica lorda sia prodotta da fonti rinnovabili. Si
tratta di un obiettivo che richiede sensibili sforzi, soprattutto se si considera che, nonostante gli
impegni di Kyoto, nel nostro Paese le emissioni di CO 2 sono aumentate nel l’ultimo decennio dell’
8,7%, mentre la domanda di energia elettrica nello stesso periodo è aumentata dell’11%.
Una delle alternative ai combustibili fossili è la biomassa.
La biomassa è una fonte energetica pulita, compatibile con l’ambiente e che si rinnova
ogni anno.
Infatti, le piante per crescere assorbono anidride carbonica dall’aria e la trasformano in legno,
foglie, radici, e così via. Trasformando in energia la biomassa, il bilancio dell’anidride carbonica
(CO2) nell’atmosfera non cambia, perché si tratta dellla stessa quantità di CO 2 utilizzata dalla pianta
per crescere e produrre la parte di legno che è stato utilizzato. Inoltre, la biomassa è anche una
delle poche fonti rinnovabili che permettono contemporaneamente di ridurre l’effetto serra e
generare occupazione, oltre a stimolare la manutenzione del territorio.
La cogenerazione è la produzione combinata di elettricità e calore. Un impianto convenzionale di
produzione di energia elettrica ha una efficienza di circa il 35%, mentre il restante 65% viene
disperso sotto forma di calore, con un impianto di cogenerazione, invece, il calore prodotto dalla
combustione non viene disperso, ma recuperato per altri usi. In questo modo la cogenerazione
raggiunge una efficienza superiore al 90% e questo permette di risparmiare energia primaria,
salvaguardare l'ambiente, diminuire le emissioni di CO2, diminuire i costi, creare nuovi posti di
lavoro.
La centrale di Sellero (Brescia) è abbarbicata sul monte, sotto il paese. “Nel 1997 andò a fuoco la
montagna, e dovemmo affrontare il problema di come gestire tronchi e legna anneriti e non più
utilizzabili”.
Giampiero Bressanelli allora era sindaco del paese. Oggi è assessore: “Da quell’episodio nacque
l’idea di fare una centrale a legna che producesse elettricità e anche riscaldasse le case e l’acqua
tramite il teleriscaldamento”.
L’impianto è stato inaugurato nel 2004. Esempio positivo dell’utilizzo delle biomasse, oggi la
centrale serve 400 utenze dei Comuni di Sellero, Novelle e Cedegolo per il riscaldamento e l’acqua
calda. La centrale produce anche elettricità, in misura maggiore quando riscaldare le case non
serve, ottimizzando l’efficienza, per 15 mila megawattora l’anno. Da questa produzione viene
gran parte del fatturato.
Per fare tutto questo, brucia ogni giorno 800 quintali di “cippato” (legno sminuzzato) tutto
proveniente dalla zona (tre camion al giorno), il che ha creato anche un mercato degli scarti del
legno piuttosto florido. In più l’inquinamento è ridotto (il legno è pur sempre una fonte
rinnovabile) e c’è un solo camino in paese: quello della centrale, filtrato e monitorato 24 ore su 24.
Biomassa
Per biomassa si intende ogni sostanza organica derivante direttamente o indirettamente dalla
fotosintesi clorofilliana. Mediante questo processo le piante assorbono dall’ambiente circostante
anidride carbonica (CO2) e acqua, quindi le trasformano, con l’apporto dell’energia solare e di
sostanze nutrienti presenti nel terreno, in materiale organico utile alla propria crescita. Il legno è
energia solare immagazzinata.
La biomassa è una fonte di energia rinnovabile di estrema importanza, facilmente reperibile, che
può essere immagazzinata per lunghi periodi. Il modo migliore per sfruttarla è nelle centrali per la
produzione combinata di calore ed energia, anche dette centrali di cogenerazione, in particolare
in piccole centrali per la produzione di elettricità (da poche centinaia di kW fino a 1-2 MW elettrici).
L’anidride carbonica emessa dagli impianti termoelettrici alimentati a biomasse è la stessa che
viene assorbita dai vegetali per produrre una quantità uguale di biomassa. Nel ciclo energetico
della biomassa, quindi, il bilancio dell’anidride carbonica è in equilibrio.
Il legno proviene dai normali tagli produttivi, dalla manutenzione dei boschi, dalle ramaglie, dagli
scarti delle industrie di prima lavorazione del legno e dalle colture energetiche (coltivazioni
specializzate per la produzione di biomassa per uso energetico). Quindi, dal bosco non viene
asportato più di quanto il bosco stesso produce, anche in virtù delle disposizioni in materia di polizia
forestale.
Inoltre, la possibilità di una collocazione del materiale derivante dalla manutenzione e pulizia
stimola direttamente queste attività. Ciò si traduce inequivocabilmente nella salvaguardia del
nostro patrimonio forestale.
Le biomasse, prodotte e utilizzate in maniera ciclica, costituiscono una risorsa energetica
rinnovabile e rispettosa dell'ambiente. L'uso energetico delle biomasse produce consistenti
benefici ambientali, occupazionali e di politica energetica:
Ambiente - Le biomasse sono neutre per quanto attiene l'effetto serra poiché il biossido di
carbonio (CO2) rilasciato durante la combustione viene riassorbito dalle piante stesse mediante il
processo della fotosintesi clorofilliana. Il basso contenuto di zolfo e di altri inquinanti fa sì che,
quando utilizzate in sostituzione di carbone e olio combustibile, le biomasse contribuiscano ad
alleviare il fenomeno delle piogge acide.
Occupazione - Le diverse fasi del ciclo produttivo del combustibile da biomassa, sia esso di origine
agricola o forestale, creano posti di lavoro e favoriscono la rivitalizzazione dei rispettivi settori.
Posti di lavoro sono creati anche nell'industria collegata alle tecnologie di conversione
energetica.
Politica energetica - L'energia delle biomasse riduce la dipendenza dalle importazioni di
combustibili e diversifica le fonti di approvvigionamento energetico. Aderendo alla convenzione
internazionale sul clima l'Italia si è impegnata a ridurre le emissioni in atmosfera di gas serra. La
sostituzione di combustibili fossili con biomasse contribuisce al conseguimento di questo obiettivo.
Obiettivi di progetto
Il presente progetto ha come obiettivo la valorizzazione energetica
vergini di origine agricola e boschiva (cippato di legno), con lo scopo di:
delle biomasse legnose
incentivare l’utilizzo delle biomasse come fonti primarie di energia
incentivare la creazione di filiere agro-energetiche che utilizzino i sottoprodotti agricoli
come alternativa ai tradizionali combustibili di origine fossile (idrocarburi)
delocalizzare le produzioni energetiche sul territorio con creazione di alternative flessibili
e meno impattanti dei grandi impianti di produzione di energia
creare dei mini-distretti agro-energetici che abbiano come effetto la ricaduta territoriale
delle positività espresse dagli impianti in termini di maggior attenzione al territorio, miglior
utilizzo dei materiali di scarto, nuovi posti di lavoro,
realizzare introiti derivanti dalla vendita dell’energia prodotta e dagli incentivi riservati agli
impianti produttivi alimentati a fonti rinnovabili
ridurre la dipendenza energetica dall’estero
a tale proposito si prevede la realizzazione di una centrale elettrica della potenza di 1MWE (1
megawatt elettrico) alimentata a cippato di legna, che consenta anche l’eventuale utilizzo
aggiuntivo del vapore prodotto (cogenerazione) per scopi di riscaldamento/raffrescamento di
utenze poste nelle vicinanze della centrale.
Descrizione generale del progetto
Dati costruttivi e gestionali dell’impianto
Individuata un’area adatta, servita da vie di comunicazione atte a garantire l’accesso di veicoli da
trasporto (camion) impiegati per la fornitura di materia prima (cippato), adeguatamente servita da
connessioni idriche ed elettriche, verrà realizzata una struttura destinata ad ospitare l’impianto ed i
relativi accessori.
La struttura occuperà complessivamente un’area di 3.000 m 2, di cui circa la metà (1.500 m2)
coperta da un capannone industriale di 15 m di altezza.
Per il funzionamento dell’impianto è previsto l’impiego di personale qualificato: 1 capo impianto + 1
persona a turno + 1 giornaliero.
Dati tecnici principali della centrale elettrica
La centrale utilizzerà come combustibile legno cippato di varia provenienza, con le seguenti
caratteristiche: PCI medio 2.500 kcal/kg, umidità 30-50%, dimensioni medie 30x100x3/5 mm.
E’ previsto il funzionamento dell’impianto 24 su 24 ore per 7.500/8.000 ore l’anno, con un consumo
annuale di cippato di circa 16.000 tonnellate. La centrale avrà una potenza disponibile di 1 MWE e
consentirà la produzione di elettricità per circa 7.500 MWh/anno, con una potenza termica
accesoria di circa 3,5 MWt/h.
La centrale non produrrà scarichi idrici di sorta, l’emissione in atmosfera di CO 2 avrà bilancio pari a
zero, non vi sarà alcun impatto acustico in quanto gli impianti sono racchiusi in capannone.
La produzione di ceneri inerti riciclabili in agricoltura sarà di 200 t/anno, mentre verranno prodotte
circa 50 t/anno di ceneri da conferire in discarica. Il consumo di acqua per il reintegro del ciclo
termico sarà di circa 180 l/h.
Per quanto riguarda l’impatto viario, si prevede il transito di 6/8 camion al giorno escluso sabato e
domenica.
Descrizione fasi operative
L’operatività della centrale elettrica può essere schematizzata e suddivisa in fasi successive come
segue:
1. arrivo del materiale in deposito e gestione del medesimo fino alla bocca di caldaia
2. ingresso del materiale in caldaia, combustione e cessione di energia al vettore acqua
3. trasformazione energetica del vettore acqua e suo cambiamento di stato da fase liquida a
fase vapore
4. alimentazione del vapore prodotto precedentemente in caldaia alla turbina con produzione
elettrica, successiva messa in rete dell’energia elettrica
5. eventuale recupero
di parte del calore sensibile del vapore
ricondensazione per produzione di acqua calda per teleriscaldamento
prima della fase di
6. scarico del vapore dalla turbina e sua ricondensazione alla fase liquida con ripristino del
circuito iniziale del vettore acqua.
La fasi sopra descritte sono rappresentate nello schema seguente:
CIPPATO
DISSIPAZIONE
CALDAIA
TELERISCALDAMENTO
Vapore
Calore in eccesso
CESSIONE IN RETE
Energia Elettrica
TURBINA
Relazione descrittiva del ciclo del vapore
Il ciclo vapore, necessario alla valorizzazione energetica del materiale legnoso cippato, fonda le sue
peculiarità tecniche su alcune nozioni basilari relative alla combustione dei materiali stessi.
Il cippato viene ottenuto dalla frantumazione a mezzo macchine dedicate di tronchi, cascami, rifili e
scarti della lavorazione del legno. Dopo eventuale stoccaggio per circa 90 gg. in cumuli piramidali
per completare il suo naturale ciclo di fermentazione, viene consegnato alla centrale e alimentato al
forno di combustione tramite un particolare sistema a piastre mobili munite di rastrelli.
Il cippato viene quindi inviato per gravità ad una tramoggia a monte del forno, completa di
serranda tagliafuoco e cassetto idraulico per l’alimentazione del combustibile.
Il forno sarà del tipo a “griglia mobile” a gradini, con camera di combustione adiabatica alimentata
da uno spintore idraulico adatto per ricevere dalla tramoggia di cui sopra cippato anche di
pezzatura non omogenea e con umidità fino al 50%.
La grande volumetria della camera di combustione del forno e le elevate temperature garantiranno
la massima produzione di vapore con il minor impiego di biomassa; gli elevati tempi di permanenza
dei fumi (T>2 secondi) all’interno della camera di combustione garantiranno la totale ossidazione
dei gas prodotti, ottimizzando così il processo.
Il forno sarà dotato di un sofisticato sistema di controllo della temperatura atto ad evitare la fusione
delle ceneri, facilitando così la completa combustione della biomassa e la totale trasformazione del
CO in CO2.
L’aria comburente primaria, secondaria e terziaria verrà fornita da una serie di ventilatori completi
di serrande di regolazione.
La camera di combustione sarà divisa in diverse zone:
una zona di accumulo iniziale di biomassa atta a compensare l’eventuale richiesta del
sistema di variazione di potenza ed a favorire l’eventuale essicazione del combustibile
due zone indipendenti nella griglia mobile dove avviene la gassificazione e la combustione
primaria del combustibile
una zona detta di “ottimizzazione della combustione” dove si miscela ulteriormente
l’ossigeno e si completa la combustione dei rimanenti gas incombusti (soprattutto CO 2)
un’ultima zona detta “di decantazione” che ha lo scopo di allungare i tempi di permanenza
dei fumi in camera di combustione, favorendo la decantazione delle polveri grazie alla
particolare geometria della camera e all’immissione turbolenta di aria comburente terziaria
A valle del forno i fumi di combustione a circa 850 °C entreranno nella caldaia a recupero per la
produzione di vapore che alimenterà una turbina multistadio per trasformare l’energia termica in
meccanica e quindi in elettricità tramite un alternatore.
Nella zona sottostante il forno e la caldaia a recupero per produzione di vapore si troverà l’impianto
automatico di estrazione delle ceneri, che saranno scaricate e stoccate in un cassone mobile
coperto per evitare ogni dispersione di polveri verso l’esterno.
I fumi di combustione a circa 200 °C all’uscita dalla caldaia a recupero verranno pre-depolverati in
un multiciclone a bassa velocità e quindi attraverseranno un filtro elettrostatico o filtro a maniche
per l’eliminazione finale delle ceneri e delle polveri.
Dallo scarico della turbina potrà essere eventualmente spillato vapore a basso contenuto entalpico
per alimentare, tramite vuno scambiatore dedicato, un circuito di teleriscaldamento.
L’energia elettrica prodotta dall’alternatore potrà essere immessa direttamente nella rete nazionale
tramite un trasformatore elevatore di tensione.
Il funzionamento e l’esercizio della centrale verrà effettuato tramite computer (PLC), che si
occuperà del monitoraggio e controllo di tutte le parti dell’impianto e permetterà la telegestione in
remoto, attraverso la quale sarà possibile:
visualizzare in tempo reale tutti gli stati e i parametri di funzionamento dell’impianto, con
particolare riferimento alle emissioni al camino
impostare le logiche di funzionamento
registrare gli allarmi
eseguire un tracing dei singoli parametri
controllare lo stato degli ingressi e delle uscite del PLC
impostare chiamate telefoniche automatiche a numeri preselezionati in caso di allarme
Schema di flusso del ciclo del vapore
Elenco dei componenti dell’impianto
1.
2.
3-8.
9.
10.
11-12.
13-14.
15-16.
17-21.
Alimentatore cippato a piastre mobili, capacità 2/3 t/h
Forno adiabatico di combustione, potenza termica 5 MW
Generatore di vapore a recupero, vapore prodotto 7 t/h
Depurazione fumi: multiciclone con precaptazione ceneri
Depurazione fumi: elettrofiltro con captazione ceneri e polveri
Ventilatore finale e camino, emissione di fumi puliti in atmosfera
Turboalternatore a vapore, potenza elettrica 1 MWE
Sistema di condensazione vapore ad aria
Ciclo termico, trattamento condensato
Input:
Biomassa, 16.000 t/anno
Acqua per reintegri ciclo termico, 180 l/h
Output:
Potenza elettrica ai morsetti dell’alternatore 1 MW
Potenza termica disponibile 3,5 MW
Ceneri 250 t/anno
Emissioni in atmosfera 18.000 Nm3/h
Il controllo preventivo delle emissioni atmosferiche
Il controllo preventivo delle emissioni viene effettuato ottimizzando le caratteristiche costruttive dei
forni con conseguente miglioramento del processo di combustione. In particolare, si cerca di
intervenire sui processi di ossidazione primaria e secondaria direttamente
in camera di
combustione e anche a valle della stessa.
Gli interventi sono tesi quindi a garantire il completamento del processo d’ossidazione termica che
richiede adeguati valori di temperatura, disponibilità di ossigeno, tempo di contatto e miscelazione.
Temperature dell’ordine di 850 °C con tempi di contatto di 2 secondi e tenore di ossigeno del 7–8%
sono considerati sufficienti per la completa distruzione dei composti organici.
Tali valori sono agevolmente raggiungibili con i moderni impianti di combustione ed inoltre devono
essere garantiti, come richiesto da una normativa che fa esplicito riferimento ai livelli minimi di
temperatura e concentrazione di ossigeno nei gas. In queste condizioni assume particolare
rilevanza il livello di turbolenza nel forno, poiché l’elevato grado di miscelazione aria/combustibile
diventa il fattore basilare ed essenziale nel processo di ossidazione e conversione delle sostanze di
natura organica.
Per limitare la formazione degli ossidi di azoto (NO x), una parte del gas di scarico, dopo essere
passata attraverso i sistemi di trattamento, e’
rimandata nel forno attraverso la gola del
bruciatore. Il ricircolo, che interessa una quota orientativamente compresa tra il 10% e il 20% del
flusso totale, serve ad abbassare
la temperatura massima della fiamma e a ridurre
contestualmente il contenuto di ossigeno disponibile per la reazione . Questo intervento agisce
favorevolmente sul processo di formazione degli NOx termici.
Sostanze oggetto di monitoraggio
Nell’impianto oggetto di questa presentazione vengono monitorati i seguenti parametri:
Emissioni di CO
Emissioni di NOx
Emissioni di O2
Temperatura dei fumi
Il monitoraggio viene effettuato in modo continuo: come misura di sicurezza, non è consentito il
funzionamento dell’impianto a monitoraggio parziale o interrotto.
I dati risultanti dal monitoraggio vengono in tempo reale scaricati dal sistema di controllo (PLC) e
direttamente visualizzati da monitor installati nella sala comandi della centrale. I medesimi dati
possono essere contestualmente visualizzati on-line in remoto attraverso uno specifico portale web
dedicato all’impianto stesso.
Particolare attenzione viene posta nelle possibili fasi di criticità: il monitoraggio in continuo
permette di mantenere il rapporto tra aria comburente e combustibile in equilibrio ottimale. Nelle
fasi di accensione, spegnimento o durante fermi manutentivi ordinari o straordinari il monitoraggio
permanente controlla il rapporto stechiometrico ottimizzando sempre le emissioni in atmosfera in
qualsiasi fase di esercizio.
Tabella delle emissioni atmosferiche al camino
Tipo di emissione
Riferimento di legge*
Quantità emessa
Polveri
30
Inferiori a 10
CO
300
250
NOx
150
Inferiori a 150
SO2
200
0
*I valori indicati sono misurati in mg/Nmc e sono da riferirsi alla media giornaliera monitorata
©MD2009
Centrale elettrica a biomasse legnose da 1 MWE - Planimetria impianto
Centrale elettrica a biomasse legnose da 1 MWE - Sezione impianto