Obiettivo principale dell'Attività 3.3 è stato lo sviluppo di strumenti di simulazione numerica finalizzati al dimensionamento di massima, all'analisi e all'ottimizzazione di sistemi integrati di valorizzazione energetica di rifiuti disponibili a bordo-nave per lo smaltimento degli stessi mediante gassificazione e la produzione combinata di energia elettrica e termica. In linea generale, in ambito energetico, la simulazione numerica consente di definire configurazioni impiantistiche efficienti attraverso l'individuazione dei principali parametri di funzionamento e la definizione dei loro valori ottimali, così da pervenire alla massimizzazione delle prestazioni e alla riduzione dei tempi necessari alla fase di progettazione di impianti reali. Le analisi a calcolo offrono la possibilità di "customizzare" un determinato sistema in funzione delle caratteristiche in input e output, ovvero della disponibilità delle fonti e delle utenze da servire. Nel caso specifico, si sono sviluppati codici di calcolo in grado di considerare una composizione chimica variabile dei materiali residuali utilizzabili per il recupero energetico e, allo stesso tempo, di ottimizzare le prestazioni conseguibili in termini di resa elettrica o termica. Come evidenziato in altri Deliverable di progetto, anche per le applicazioni nella crocieristica le tecnologie di trattamento termico dei rifiuti risultano di particolare rilevanza, in quanto il reinserimento di questi ultimi nella catena produttiva come fonte energetica rappresenta una importante frontiera a livello ambientale ed economico. In particolare, la gassificazione e? un processo di conversione termochimica che si presenza particolarmente interessante per via del miglior controllo che essa offre sulle emissioni in atmosfera connesse alla trasformazione di materiali diversi in energia direttamente utilizzabile. La gassificazione si svolge in carenza di ossigeno, condizione che consente di ottenere un'ossidazione parziale della materia volatile organica presente nei rifiuti, i quali vengono appunto trasformati in un gas combustibile, detto gas di sintesi o syngas, composto principalmente da metano (CH4), monossido di carbonio (CO) e idrogeno (H2). Tale gas può trovare impiego come combustibile in caldaie o, previ trattamenti di depurazione, essere utilizzato in motori termici utilizzati in assetto cogenerativo. Il sistema di recupero energetico dei rifiuti proposto nel seguito della presente Relazione integra questo processo di conversione per via termochimica con l'impiego di motori a combustione interna alternativi alimentati con il gas di sintesi prodotto, così da permettere l'identificazione dei principali parametri operativi per la migliore resa energetica e da fornire linee guida per una progettazione di massima di un impianto di bordo a partire da informazioni specifiche relative a quantitativi e tipologia di materiali disponibili. Nel seguito, si presenta l'approccio seguito per la messa a punto degli strumenti di simulazione utilizzabili per gli scopi suddetti, a valle di una breve iniziale descrizione e comparazione tra le diverse tecnologie di recupero energetico suscettibili di considerazione nel caso specifico. Ai fini dello sviluppo di efficaci modelli di calcolo dedicati, lo studio effettuato ha reso necessaria l'analisi dei singoli processi di gassificazione dei rifiuti disponibili, di pulizia del gas di sintesi ottenuto, e in particolare, la corretta valutazione delle efficienze energetiche dei sistemi cogenerativi in alimentazione non-convenzionale. E' da subito emersa l'influenza di parametri quali il contenuto iniziale della biomassa utilizzata e il rapporto di equivalenza di gassificazione. All'aumentare di entrambi questi due parametri, si è osservata una riduzione delle prestazioni energetiche del motore considerato in assetto cogenerativo alimentato a syngas. Questo ha determinato da un lato la necessità di procedere, nelle fasi successive del lavoro, nel senso della ottimizzazione delle condizioni di gassificazione, dall'altro ha messo in luce la necessità di ipotizzare una integrazione dell'essiccamento delle biomasse ad opera dello stesso sistema cogenerativo alimentato con il syngas da esse prodotto. Un ulteriore elemento che è emerso e che condiziona la fase di progettazione di nuovi impianti è lo stretto legame tra le condizioni di regolazione dei motori scelti e la tipologia di biomassa utilizzata: al variare della sua composizione, si genera infatti un syngas da gassificazione che ha caratteristiche di combustione differenti e che necessitano quindi di essere opportunamente tenute in conto in fase di definizione delle strategie di controllo motore. Con riferimento ai reali flussi di massa ed energetici che caratterizzano una nave da crociera, gli strumenti di calcolo sviluppati sono stati quindi dapprima validati sulla base di dati di letteratura e poi adoperati appunto per definire e sviluppare layout di recupero energetico di biomasse residuali da montare a bordo, inclusivi di processi di pretrattamento in un'ottica di waste heat recovery (WHR). Lo studio è stato portato avanti per gradi, dapprima con riferimento ad un layout semplificato, ai fini della quantificazione del derating prestazionale derivante dall'impiego di syngas ottenuto da gassificazione di biomasse rispetto ad un combustibile tradizionale come il gas naturale, poi effettuando un dimensionamento di massima che ha potuto tenere conto delle analisi effettuate in precedenza, ovvero degli effettivi rendimenti di cogeneratori alimentati a syngas. Si è quindi impostato un opportuno e tipico problema di ottimizzazione dei principali parametri di controllo che caratterizzano il layout proposto, relativamente a due casi studio in una stessa configurazione tipo: il primo è mirato ad ottenere la massima potenza elettrica direttamente utilizzabile dal sistema cogenerativo, mentre l'altro è orientato alla massimizzazione della potenza termica associata ai gas di scarico finalizzati al pre-essiccamento di grossi quantitativi di materiale residuale umido. Nello specifico, sono state attuate procedure di ottimizzazione dei parametri nel caso in cui il processo di essiccamento della biomassa avvenga ad opera di un sistema esterno ausiliario, e nel caso in cui tale processo di trattamento sia ottenuto grazie allo sfruttamento del contenuto entalpico dei gas di scarico del motore
Integrazione a bordo di processi di valorizzazione energetica di rifiuti solidi
Michela Costa;Daniele Piazzullo
2018
Abstract
Obiettivo principale dell'Attività 3.3 è stato lo sviluppo di strumenti di simulazione numerica finalizzati al dimensionamento di massima, all'analisi e all'ottimizzazione di sistemi integrati di valorizzazione energetica di rifiuti disponibili a bordo-nave per lo smaltimento degli stessi mediante gassificazione e la produzione combinata di energia elettrica e termica. In linea generale, in ambito energetico, la simulazione numerica consente di definire configurazioni impiantistiche efficienti attraverso l'individuazione dei principali parametri di funzionamento e la definizione dei loro valori ottimali, così da pervenire alla massimizzazione delle prestazioni e alla riduzione dei tempi necessari alla fase di progettazione di impianti reali. Le analisi a calcolo offrono la possibilità di "customizzare" un determinato sistema in funzione delle caratteristiche in input e output, ovvero della disponibilità delle fonti e delle utenze da servire. Nel caso specifico, si sono sviluppati codici di calcolo in grado di considerare una composizione chimica variabile dei materiali residuali utilizzabili per il recupero energetico e, allo stesso tempo, di ottimizzare le prestazioni conseguibili in termini di resa elettrica o termica. Come evidenziato in altri Deliverable di progetto, anche per le applicazioni nella crocieristica le tecnologie di trattamento termico dei rifiuti risultano di particolare rilevanza, in quanto il reinserimento di questi ultimi nella catena produttiva come fonte energetica rappresenta una importante frontiera a livello ambientale ed economico. In particolare, la gassificazione e? un processo di conversione termochimica che si presenza particolarmente interessante per via del miglior controllo che essa offre sulle emissioni in atmosfera connesse alla trasformazione di materiali diversi in energia direttamente utilizzabile. La gassificazione si svolge in carenza di ossigeno, condizione che consente di ottenere un'ossidazione parziale della materia volatile organica presente nei rifiuti, i quali vengono appunto trasformati in un gas combustibile, detto gas di sintesi o syngas, composto principalmente da metano (CH4), monossido di carbonio (CO) e idrogeno (H2). Tale gas può trovare impiego come combustibile in caldaie o, previ trattamenti di depurazione, essere utilizzato in motori termici utilizzati in assetto cogenerativo. Il sistema di recupero energetico dei rifiuti proposto nel seguito della presente Relazione integra questo processo di conversione per via termochimica con l'impiego di motori a combustione interna alternativi alimentati con il gas di sintesi prodotto, così da permettere l'identificazione dei principali parametri operativi per la migliore resa energetica e da fornire linee guida per una progettazione di massima di un impianto di bordo a partire da informazioni specifiche relative a quantitativi e tipologia di materiali disponibili. Nel seguito, si presenta l'approccio seguito per la messa a punto degli strumenti di simulazione utilizzabili per gli scopi suddetti, a valle di una breve iniziale descrizione e comparazione tra le diverse tecnologie di recupero energetico suscettibili di considerazione nel caso specifico. Ai fini dello sviluppo di efficaci modelli di calcolo dedicati, lo studio effettuato ha reso necessaria l'analisi dei singoli processi di gassificazione dei rifiuti disponibili, di pulizia del gas di sintesi ottenuto, e in particolare, la corretta valutazione delle efficienze energetiche dei sistemi cogenerativi in alimentazione non-convenzionale. E' da subito emersa l'influenza di parametri quali il contenuto iniziale della biomassa utilizzata e il rapporto di equivalenza di gassificazione. All'aumentare di entrambi questi due parametri, si è osservata una riduzione delle prestazioni energetiche del motore considerato in assetto cogenerativo alimentato a syngas. Questo ha determinato da un lato la necessità di procedere, nelle fasi successive del lavoro, nel senso della ottimizzazione delle condizioni di gassificazione, dall'altro ha messo in luce la necessità di ipotizzare una integrazione dell'essiccamento delle biomasse ad opera dello stesso sistema cogenerativo alimentato con il syngas da esse prodotto. Un ulteriore elemento che è emerso e che condiziona la fase di progettazione di nuovi impianti è lo stretto legame tra le condizioni di regolazione dei motori scelti e la tipologia di biomassa utilizzata: al variare della sua composizione, si genera infatti un syngas da gassificazione che ha caratteristiche di combustione differenti e che necessitano quindi di essere opportunamente tenute in conto in fase di definizione delle strategie di controllo motore. Con riferimento ai reali flussi di massa ed energetici che caratterizzano una nave da crociera, gli strumenti di calcolo sviluppati sono stati quindi dapprima validati sulla base di dati di letteratura e poi adoperati appunto per definire e sviluppare layout di recupero energetico di biomasse residuali da montare a bordo, inclusivi di processi di pretrattamento in un'ottica di waste heat recovery (WHR). Lo studio è stato portato avanti per gradi, dapprima con riferimento ad un layout semplificato, ai fini della quantificazione del derating prestazionale derivante dall'impiego di syngas ottenuto da gassificazione di biomasse rispetto ad un combustibile tradizionale come il gas naturale, poi effettuando un dimensionamento di massima che ha potuto tenere conto delle analisi effettuate in precedenza, ovvero degli effettivi rendimenti di cogeneratori alimentati a syngas. Si è quindi impostato un opportuno e tipico problema di ottimizzazione dei principali parametri di controllo che caratterizzano il layout proposto, relativamente a due casi studio in una stessa configurazione tipo: il primo è mirato ad ottenere la massima potenza elettrica direttamente utilizzabile dal sistema cogenerativo, mentre l'altro è orientato alla massimizzazione della potenza termica associata ai gas di scarico finalizzati al pre-essiccamento di grossi quantitativi di materiale residuale umido. Nello specifico, sono state attuate procedure di ottimizzazione dei parametri nel caso in cui il processo di essiccamento della biomassa avvenga ad opera di un sistema esterno ausiliario, e nel caso in cui tale processo di trattamento sia ottenuto grazie allo sfruttamento del contenuto entalpico dei gas di scarico del motoreI documenti in IRIS sono protetti da copyright e tutti i diritti sono riservati, salvo diversa indicazione.
