Turbogeneratore da 3 kWe alimentato a legna per la produzione rurale di energia elettrica

Politecnico di Milano; P.zza Leonardo da Vinci 32; 20133 MILANO
Facoltà di ingegneria
Corso di Laurea in Ingegneria Civile per la Difesa del Suolo e la Pianificazione Territoriale
Dipartimento di Energetica

Relatore: Prof. Mario Gaia
Tesi di laurea di ing. Loris Rinaldo (febbraio 1996)

PREMESSA

• ridurre la dipendenza dal petrolio
• Contribuirebbe alla diversificazione delle fonti energetiche allontanando situazioni di monopolio
• affrontare il problema dell'inquinamento globale legato all'accumulo di CO₂ in atmosfera (perchè la CO₂ rilasciata durante la combustione è bilanciata da quella assorbita in fase di crescita)

OGGETTO DELLA TESI

Ha costituito l'oggetto della tesi, lo studio di un prototipo di generatore elettrico da 3 kWe alimentato a legna e funzionante secondo un ciclo Rankine rigenerativo con fluido organico (ORC).
Tale impianto di produzione d'energia elettrica è stato "innestato" su di una caldaia a legna attualmente commercializzata, che utilizza un sistema di ventilazione forzata dell'aria per ottenere una combustione a "fiamma rovesciata".

il ciclo dinamico effettuato

lo schema simbolico di funzionamento

la caldaia UNICAL ® utilizzata

la macchina "dal vivo", tutta assemblata

E' stata effettuata una prova sperimentale e in base ad essa è stato sviluppato un programma (software) per simulare il funzionamento della macchina in diverse condizioni.
Nella modellizzazione del funzionamento del turbogeneratore, la parte più originale è la descrizione matematica degli stati termodinamici del fluido di lavoro (OctaMetilTriSilossano) che non è stata basata sui modelli proposti dalla bibliografia ma su un interpolazione con polinomi di 4^o grado dei dati delle tavole termodinamiche del fluido, stimando i coefficienti con il metodo dei minimi quadrati.
Verificato il sostanziale accordo tra prova sperimentale e la simulazione all'elaboratore, sono stati usati i risultati del modello per effettuare un'analisi energetica ed exergetica, per valutare il consumo di legna e l'impatto al suolo delle emissioni di gas inquinanti (CO, NOx). Per le analisi energetiche è stato sviluppato un programma in TurboPASCAL per lo studio delle emissioni ci si è affidati ad un codice già sviluppato.

Flusso energetico

Flusso exergetico

Come CONSIDERAZIONI CONCLUSIVE lo studio evidenzia:

• Impianto affidabile e di facile gestione.
• Migliorabile come rendimento. Il rendimento elettrico dell'impianto è piuttosto basso (intorno al 10%) ma deriva da scelte progettuali che hanno privilegiato gli aspetti d'affidabilità e sicurezza d'uso piuttosto che elevate prestazioni.
• Adattabile per cogenerazione. Il calore residuo (aria calda) è facilmente utilizzabile a scopi di riscaldamento.
• Risorsa rinnovabile e facilmente accumulabile
  Consumo legna stimato: 3,7 kg/kWh elettrico
• Chiusura ciclo dei composti in raggio spaziale e temporale limitato. L'energia prodotta è più "pulita" dal punto di vista dell'inquinamento chimico mentre produce un maggiore impatto in termini di occupazione del suolo e di complessit… di impianto, rispetto ad un equivalente impianto a combustibile tradizionale.
• i costi, sia economici che ambientali, generati dall'uso di biomasse hanno una distribuzione più limitata sia in termini temporali che spaziali rispetto agli impianti tradizionali per la produzione di energia elettrica.
• Possibile uso decentralizzato
• Contribuirebbe ...
  • allo sviluppo delle zone rurali, consentendo un utilizzo più efficiente e pulito di questa risorsa, già ampiamente utilizzata.
  • alla eliminazione dei paradossi della Politica Agricola Comunitaria, quali la distruzione di eccedenze alimentari e l'applicazione dei sussidi per la messa a riposo dei terreni, che potrebbero invece essere destinati alla produzione di biomassa non alimentare (legname).