IRC-CNR La ricerca per il futuro dell’energia · Ipa) e incombusti (ossido di carbonio,...
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Eventi Lunedì 29 aprile 2013 Ricerca, Innovazione e Tecnologia 9 L a disponibilità di energia a costi contenuti ha rappre- sentato negli ultimi due secoli il vero volano dello sviluppo economico e sociale. Ma già negli ultimi decenni del XX secolo la crescente consape- volezza di dover aumentare l’efficienza energetica e ridurre l’impatto sull’ambiente dei si- stemi di produzione e trasfor- mazione dell’energia ha im- partito una forte accelerazione allo sviluppo di metodologie di controllo e riduzione delle emissioni. A questo stimolo si è affiancata, in tempi più recenti, la necessità di indivi- duare nuove fonti e tecnologie capaci nel medio e lungo pe- riodo di sostenere la crescente domanda mondiale di energia, anche in ragione dell’atteso in- cremento dei costi dell’energia prodotta da fonti fossili (quali petrolio e carbone). Ridisegnare lo scenario dell’energia conformemente a queste esigenze rappresenta una formidabile sfida scienti- fica e tecnologica. Costruire nuove competenze e tecnolo- gie italiane potrà consentire all’Italia di continuare a giocare nel futuro un ruolo da prota- gonista nello scenario globale. Un nuovo progetto per produrre elettricità dal sole Il sistema ha impieghi ibridi, potendo funzionare anche in assenza di luce solare utilizzando combustibili fossili o biomasse La gassificazione di biomasse e scarti vegetali è una soluzione conveniente Il processo comporta la produzione di un gas di sintesi, utilizzabile per la produzione di energia Trasformare i materiali agricoli di scarto con pirolisi e combustione Il metodo, allo studio dell’Irc-Cnr, permette di ottenere il biochar, recuperando energia I l Progetto Solar ermal Energy Solid Storage (Soltess) riguarda lo sviluppo di un sistema di cogenerazione di ener- gia elettrica/termica da sorgente solare in grado di raccogliere energia solare per accumularla e usarla producendo elettrici- tà, vapore o acqua desalinizzata in tutte le possibili combinazioni. Una caratteristica del sistema è la sua capacità di uso in im- pieghi ibridi potendo utilizzare combusti- bili tradizionali (gas naturale) o alternati- vi (bio-gas o bio-oli) come fonte energetica alternativa/integrativa al sole. L’innova- zione risiede principalmente nell’impiego di un sistema a letto fluidizzato di solidi granulari che sfrutta le proprietà delle so- spensioni solido/gas fluidizzate quali: l’ele- vato coefficiente di scambio termico fra letto e superfici di scambio e l’elevata dif- fusività termica della sospensione. Il siste- ma a letto fluido è in grado di svolgere tre funzioni: ricevitore della radiazione solare, sistema di trasferimento di energia termica al ciclo vapore, accumulatore di energia da rendere disponibile nei periodi di insuffi- ciente intensità della radiazione solare. L’attività, iniziata nel 2010, è svolta nell’ambito di un finanziamento Pon Ri- cerca e Competitività 2007-2013, cui oltre all’Istituto di Ricerche sulla Combustione partecipano Magaldi spa., Enel Energia e Innovazione, il Dipartimento di Ingegne- ria Chimica dell’Università degli Studi di Napoli Federico II, l’Istituto Nazionale di Ottica e l’Istituto di Scienza e Tecnologia dei Materiali Ceramici del Cnr. L’attività ha consentito la realizzazione nell’area industriale di Magaldi a Buccino (Sa) di un impianto pilota da 100kW ter- mici, funzionante da luglio 2012. Attual- mente è in fase di ultimazione la progetta- zione dell’impianto dimostratore da 1850 kW termici che dovrebbe fornire circa 650 kW elettrici. L a transizione verso un’eco- nomia basata su vettori energetici “sostenibili” rappre- senta una delle sfide più urgenti cui rispondere. La gassificazio- ne di biomasse o residui vege- tali costituisce una soluzione praticabile e conveniente per la produzione di energia elettrica da fonti rinnovabili. In parti- colare l’utilizzo di materiali di scarto rimuove i vincoli legati alla produzione di biomasse da colture potenzialmente in com- petizione con le produzioni alimentari e risponde a logiche di ottimizzazione del ciclo dei rifiuti. Il processo di trasformazione di energia da biomasse comporta la produzione di un gas di sin- tesi (syngas) che, opportuna- mente condizionato, può essere utilizzato in sistemi di produ- zione di energia elettrica. Le attività di studio condotte pres- so l’Istituto di Ricerche sulla Combustione in questo settore hanno permesso l’ottimizzazio- ne del processo di gassificazio- ne in apparecchiature a letto fluidizzato (fino alla scala pilo- ta da 50kWth) che permettono una grande flessibilità rispetto al materiale combustibile. Il syngas ottenibile ha caratteri- stiche, in termini di composi- zione, potere calorifico e con- tenuto di tar, opportune per la conversione in energia elettrica o per una eventuale sintesi di combustibili liquidi. L o sfruttamento di residui vegetali di filiere produttive agro- industriali rappresenta una valida alternativa al loro sem- plice smaltimento, in quanto permette di valorizzare un residuo di produzione trasformandolo in un prodotto avente valore di mercato. Attualmente, la pratica più diffusa in questo senso consiste nel recupero di materiale vegetale di scarto attraverso la produzione di un compost utilizzabile in agricoltura quale fertilizzante e ammendante. Presso l’Irc-Cnr si studia la possi- bilità di realizzare una filiera di trasformazione dei prodotti di scarto per mezzo di un trattamento termico (pirolisi) accoppiato a un processo di combustione, denominato Mild, che consente di produrre un residuo carbonioso (noto come biochar) e un recu- pero di energia. Il biochar, oltre che presentare interessanti pro- prietà agronomiche quale ammendante o fertilizzante, costitui- sce un’efficace metodologia di immagazzinamento del carbonio con benefici effetti sulle emissioni di gas serra. Oltre al biochar nel processo viene prodotto anche un combustibile utilizzabile, senza ulteriori processi di trasformazione, in sistemi di combu- stione operanti in condizioni Mild. La combustione Mild rappresenta un radicale cambio di paradig- ma dei processi di combustione abilitando l’uso di combustibili di scarso pregio a basso potere calorifico, come quelli derivanti da trattamenti delle biomasse, che non sono utilizzabili direttamente in sistemi tradizionali. Essa prevede il controllo, realizzato agen- do sulla diluizione della miscela da bruciare, delle temperature di lavoro in modo tale da non superare valori critici per la produ- zione di specie inquinanti (ossidi azoto, nerofumo, polveri sottili, Ipa) e incombusti (ossido di carbonio, incombusti), che penalizza- no il rendimento energetico del processo e comportano sprechi di combustibile e una maggiore emissione di gas serra quali la CO2. Il processo di combustione è promosso e sostenuto dall’utilizzo di alte temperature di preriscaldamento della miscela reagente. Le alte temperature sono ottenute mediante il ricircolo dei gas di scarico che diluiscono e preriscaldano al tempo stesso la carica reagente con minime modifiche alle configurazioni impiantistiche tradizionali. Nel suo complesso l’attività di ricerca dell’Istituto è focalizzata all’ottimizzazione della filiera sia in termini di qualità dei prodotti che in termini di impatto ambientale, aspetti fonda- mentali per la verifica della sua fattibilità tecnica ed economica. ■■ ■ IRC-CNR / L’Istituto di Ricerche sulla Combustione si conferma centro di eccellenza nazionale e internazionale La ricerca per il futuro dell’energia Tra le competenze, lo sviluppo di processi di conversione di fonti tradizionali e rinnovabili Impianto pilota di cogenerazione di energia elettrica/termica da sorgente solare termica a concentrazione da 100 kW termici Le attività di ricerca e sviluppo dell’Istituto di Ricerche sulla Combustione (Irc) del Consi- glio nazionale delle ricerche sui processi e le tecnologie di pro- duzione dell’energia, sin dalla sua fondazione nel 1968, ne hanno fatto un centro di assolu- ta eccellenza a livello nazionale e internazionale. Lo sviluppo di processi di conversione energe- tica di fonti tradizionali (com- bustibili fossili) e rinnovabili (biomasse), l’ottimizzazione di cicli di produzione e consumo attraverso la riqualificazione e valorizzazione energetica di scarti e di prodotti, lo svilup- po di diagnostiche avanzate di controllo delle emissioni e dell’efficienza di processi di conversione energetica sono tutti campi di competenza nei quali l’Irc possiede un know- how di assoluto rilievo. Grazie a questo significativo patrimonio l’Irc si candida a svolgere un ruolo da prota- gonista nella nuova sfida per l’energia e a sostenere l’indu- stria nazionale nello sforzo di conquistare e mantenere livelli di eccellenza e competitività nel rispetto delle esigenze di preservazione della qualità dell’ambiente. La riduzione delle “polveri sottili” nell’atmosfera urbana Le polveri sottili, presenti in atmosfere urbane inquinate, sono principalmente costituite dai particolati carboniosi ultrafini emessi da sorgenti di combustione non solo tradizionali (motori, caldaie...), ma anche da sistemi che utilizzano combustibili da fonti rinnovabili come le biomasse. La nocività delle polveri sottili è legata alle dimensioni nanometriche e alla struttura e composizione chimica che, a loro volta, dipendono dalle condizioni di combustione e dal tipo di combustibile. Particelle più piccole sono più facilmente inalabili nell’apparato respiratorio con effetti diretti sulla salute umana. Tecnologie avanzate di caratterizzazione e abbattimento delle polveri sono allo studio presso l’Istituto di Ricerche sulla Combustione. Le polveri sottili sono analizzate in funzione della qualità del processo di combustione e del combustibile allo scopo di migliorare le tecnologie di combustione e mettere a punto sistemi di rilevazione e di abbattimento efficienti. La misura della struttura carboniosa del particolato è ora possibile mediante tecniche speciali di campionamento e di spettroscopia e microscopia elettronica ad alta risoluzione. Dalla struttura si può risalire ai meccanismi di formazione e distruzione dei particolati in combustione, tuttora sconosciuti. Mai come in questo caso è necessario conoscere per evitare. Schema del processo di produzione di energia elettrica mediante gassificazione di biomasse e scarti Schema di principio della filiera di trattamento termico di rifiuti vegetali
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EventiLunedì 29 aprile 2013 Ricerca, Innovazione e Tecnologia 9
La disponibilità di energia a costi contenuti ha rappre-
sentato negli ultimi due secoli il vero volano dello sviluppo economico e sociale. Ma già negli ultimi decenni del XX secolo la crescente consape-volezza di dover aumentare l’efficienza energetica e ridurre l’impatto sull’ambiente dei si-stemi di produzione e trasfor-mazione dell’energia ha im-partito una forte accelerazione allo sviluppo di metodologie di controllo e riduzione delle emissioni. A questo stimolo si è affiancata, in tempi più recenti, la necessità di indivi-
duare nuove fonti e tecnologie capaci nel medio e lungo pe-riodo di sostenere la crescente domanda mondiale di energia, anche in ragione dell’atteso in-cremento dei costi dell’energia prodotta da fonti fossili (quali petrolio e carbone). Ridisegnare lo scenario dell’energia conformemente a queste esigenze rappresenta una formidabile sfida scienti-fica e tecnologica. Costruire nuove competenze e tecnolo-gie italiane potrà consentire all’Italia di continuare a giocare nel futuro un ruolo da prota-gonista nello scenario globale.
Un nuovo progetto per produrre elettricità dal soleIl sistema ha impieghi ibridi, potendo funzionare anche in assenzadi luce solare utilizzando combustibili fossili o biomasse
La gassificazione di biomasse e scarti vegetali è una soluzione convenienteIl processo comporta la produzione di un gas di sintesi, utilizzabile per la produzione di energia
Trasformare i materiali agricoli di scarto con pirolisi e combustioneIl metodo, allo studio dell’Irc-Cnr, permette di ottenere il biochar, recuperando energia
Il Progetto Solar Thermal Energy Solid Storage (Soltess) riguarda lo sviluppo
di un sistema di cogenerazione di ener-gia elettrica/termica da sorgente solare in grado di raccogliere energia solare per accumularla e usarla producendo elettrici-tà, vapore o acqua desalinizzata in tutte le possibili combinazioni. Una caratteristica del sistema è la sua capacità di uso in im-pieghi ibridi potendo utilizzare combusti-bili tradizionali (gas naturale) o alternati-vi (bio-gas o bio-oli) come fonte energetica alternativa/integrativa al sole. L’innova-zione risiede principalmente nell’impiego di un sistema a letto fluidizzato di solidi granulari che sfrutta le proprietà delle so-spensioni solido/gas fluidizzate quali: l’ele-vato coefficiente di scambio termico fra letto e superfici di scambio e l’elevata dif-fusività termica della sospensione. Il siste-ma a letto fluido è in grado di svolgere tre funzioni: ricevitore della radiazione solare, sistema di trasferimento di energia termica
al ciclo vapore, accumulatore di energia da rendere disponibile nei periodi di insuffi-ciente intensità della radiazione solare. L’attività, iniziata nel 2010, è svolta nell’ambito di un finanziamento Pon Ri-cerca e Competitività 2007-2013, cui oltre all’Istituto di Ricerche sulla Combustione partecipano Magaldi spa., Enel Energia e Innovazione, il Dipartimento di Ingegne-
ria Chimica dell’Università degli Studi di Napoli Federico II, l’Istituto Nazionale di Ottica e l’Istituto di Scienza e Tecnologia dei Materiali Ceramici del Cnr. L’attività ha consentito la realizzazione nell’area industriale di Magaldi a Buccino (Sa) di un impianto pilota da 100kW ter-mici, funzionante da luglio 2012. Attual-mente è in fase di ultimazione la progetta-zione dell’impianto dimostratore da 1850 kW termici che dovrebbe fornire circa 650 kW elettrici.
La transizione verso un’eco-nomia basata su vettori
energetici “sostenibili” rappre-senta una delle sfide più urgenti cui rispondere. La gassificazio-ne di biomasse o residui vege-tali costituisce una soluzione praticabile e conveniente per la produzione di energia elettrica da fonti rinnovabili. In parti-colare l’utilizzo di materiali di scarto rimuove i vincoli legati alla produzione di biomasse da colture potenzialmente in com-petizione con le produzioni alimentari e risponde a logiche di ottimizzazione del ciclo dei rifiuti. Il processo di trasformazione di energia da biomasse comporta la produzione di un gas di sin-tesi (syngas) che, opportuna-mente condizionato, può essere utilizzato in sistemi di produ-
zione di energia elettrica. Le attività di studio condotte pres-so l’Istituto di Ricerche sulla Combustione in questo settore hanno permesso l’ottimizzazio-ne del processo di gassificazio-
ne in apparecchiature a letto fluidizzato (fino alla scala pilo-ta da 50kWth) che permettono una grande flessibilità rispetto al materiale combustibile. Il syngas ottenibile ha caratteri-
stiche, in termini di composi-zione, potere calorifico e con-tenuto di tar, opportune per la conversione in energia elettrica o per una eventuale sintesi di combustibili liquidi. Lo sfruttamento di residui vegetali di filiere produttive agro-
industriali rappresenta una valida alternativa al loro sem-plice smaltimento, in quanto permette di valorizzare un residuo di produzione trasformandolo in un prodotto avente valore di mercato. Attualmente, la pratica più diffusa in questo senso consiste nel recupero di materiale vegetale di scarto attraverso la produzione di un compost utilizzabile in agricoltura quale fertilizzante e ammendante. Presso l’Irc-Cnr si studia la possi-bilità di realizzare una filiera di trasformazione dei prodotti di scarto per mezzo di un trattamento termico (pirolisi) accoppiato a un processo di combustione, denominato Mild, che consente di produrre un residuo carbonioso (noto come biochar) e un recu-pero di energia. Il biochar, oltre che presentare interessanti pro-prietà agronomiche quale ammendante o fertilizzante, costitui-sce un’efficace metodologia di immagazzinamento del carbonio con benefici effetti sulle emissioni di gas serra. Oltre al biochar nel processo viene prodotto anche un combustibile utilizzabile, senza ulteriori processi di trasformazione, in sistemi di combu-stione operanti in condizioni Mild.La combustione Mild rappresenta un radicale cambio di paradig-ma dei processi di combustione abilitando l’uso di combustibili di scarso pregio a basso potere calorifico, come quelli derivanti da trattamenti delle biomasse, che non sono utilizzabili direttamente in sistemi tradizionali. Essa prevede il controllo, realizzato agen-do sulla diluizione della miscela da bruciare, delle temperature di lavoro in modo tale da non superare valori critici per la produ-zione di specie inquinanti (ossidi azoto, nerofumo, polveri sottili, Ipa) e incombusti (ossido di carbonio, incombusti), che penalizza-no il rendimento energetico del processo e comportano sprechi di combustibile e una maggiore emissione di gas serra quali la CO2. Il processo di combustione è promosso e sostenuto dall’utilizzo di alte temperature di preriscaldamento della miscela reagente. Le alte temperature sono ottenute mediante il ricircolo dei gas di scarico che diluiscono e preriscaldano al tempo stesso la carica reagente con minime modifiche alle configurazioni impiantistiche tradizionali. Nel suo complesso l’attività di ricerca dell’Istituto è focalizzata all’ottimizzazione della filiera sia in termini di qualità dei prodotti che in termini di impatto ambientale, aspetti fonda-mentali per la verifica della sua fattibilità tecnica ed economica.
■■■ IRC-CNR / L’Istituto di Ricerche sulla Combustione si conferma centro di eccellenza nazionale e internazionale
La ricerca per il futuro dell’energiaTra le competenze, lo sviluppo di processi di conversione di fonti tradizionali e rinnovabili
Impianto pilota di cogenerazione di energia elettrica/termica da sorgente solare termica a concentrazione da 100 kW termici
Le attività di ricerca e sviluppo dell’Istituto di Ricerche sulla Combustione (Irc) del Consi-glio nazionale delle ricerche sui processi e le tecnologie di pro-duzione dell’energia, sin dalla sua fondazione nel 1968, ne hanno fatto un centro di assolu-ta eccellenza a livello nazionale e internazionale. Lo sviluppo di processi di conversione energe-tica di fonti tradizionali (com-bustibili fossili) e rinnovabili (biomasse), l’ottimizzazione di cicli di produzione e consumo attraverso la riqualificazione e valorizzazione energetica di scarti e di prodotti, lo svilup-
po di diagnostiche avanzate di controllo delle emissioni e dell’efficienza di processi di conversione energetica sono tutti campi di competenza nei quali l’Irc possiede un know-how di assoluto rilievo. Grazie a questo significativo patrimonio l’Irc si candida a svolgere un ruolo da prota-gonista nella nuova sfida per l’energia e a sostenere l’indu-stria nazionale nello sforzo di conquistare e mantenere livelli di eccellenza e competitività nel rispetto delle esigenze di preservazione della qualità dell’ambiente.
La riduzione delle “polveri sottili” nell’atmosfera urbana
Le polveri sottili, presenti in atmosfere urbane inquinate, sono principalmente costituite dai particolati carboniosi ultrafini emessi da sorgenti di combustione non solo tradizionali (motori, caldaie...), ma anche da sistemi che utilizzano combustibili da fonti rinnovabili come le biomasse. La nocività delle polveri sottili è legata alle dimensioni nanometriche e alla struttura e composizione chimica che, a loro volta, dipendono dalle condizioni di combustione e dal tipo di combustibile. Particelle più piccole sono più facilmente inalabili nell’apparato respiratorio con effetti diretti sulla salute umana. Tecnologie avanzate di caratterizzazione e abbattimento delle polveri sono allo studio presso l’Istituto di Ricerche sulla Combustione. Le polveri sottili sono analizzate in funzione della qualità del processo di combustione e del combustibile allo scopo di migliorare le tecnologie di combustione e mettere a punto sistemi di rilevazione e di abbattimento efficienti. La misura della struttura carboniosa del particolato è ora possibile mediante tecniche speciali di campionamento e di spettroscopia e microscopia elettronica ad alta risoluzione. Dalla struttura si può risalire ai meccanismi di formazione e distruzione dei particolati in combustione, tuttora sconosciuti. Mai come in questo caso è necessario conoscere per evitare.
Schema del processo di produzione di energia elettrica mediante gassificazione di biomasse e scarti
Schema di principio della filiera di trattamento termico
di rifiuti vegetali
