PANACEA – Poligenerazione Alimentata con biomasse da rifiuti Negli impianti di depurazione delle ACque refluE urbAne
Responsabile Scientifico: …
Programma: …
Ente finanziatore: Ministero dello Sviluppo Economico – Ricerca di Sistema
Costo progetto: …
Settore/Ambito: …
Periodo: 2016-2018
Codice progetto: …
CUP: B62I16000290005
Sito web progetto: …
Responsabile Scientifico IM-CNR: Ing. Michela Costa
Partecipanti IM-CNR: …
Finanziamento IM-CNR: € 158.683,86
Dettagli del progetto
La depurazione delle acque reflue urbane è diventato un problema crescente sia in relazione alla necessità di realizzare nuovi impianti e adeguare quelli esistenti per rispondere alle sempre più stringenti iniziative della Comunità Europea, che per i costi energetici e ambientali legati a tali sistemi. Altra problematica è quella degli elevati consumi energetici, sia elettrici che termici. Dall’analisi dei costi di gestione di diversi impianti di depurazione, si evince che circa il 25-30% del totale è connesso al fabbisogno elettrico, motivo per cui negli impianti che dispongono di una sezione di digestione anaerobica è previsto l’uso del biogas generato per la produzione di energia elettrica. Tale produzione non è comunque sufficiente alla copertura dei fabbisogni di energia dell’impianto sia per il quantitativo modesto di biogas producibile, che per il suo potere calorifico, relativamente basso. Ulteriori costi, nella misura del 20-25%, sono legati al trattamento e smaltimento in discarica dei fanghi di depurazione, per ridurre i quali si stanno diffondendo sistemi di essiccamento termico.
Allo stato attuale, l’uso degli oli vegetali, puri o esausti, è riconosciuto come strategico per limitare le immissioni di CO2 in atmosfera, per via del legame esistente tra il ciclo di produzione e la crescita dei vegetali con relativo assorbimento di anidride carbonica dall’atmosfera. Gli OVE vengono oggi riutilizzati principalmente nella produzione di biodiesel, il cui impiego è limitato alla forma esterificata, in miscelazione a oli combustibili di origine estrattiva, per il potere calorifico generalmente inferiore rispetto a quello del gasolio e per il costo superiore, conseguenza del più difficile stoccaggio e del processo di transesterificazione necessario alla sua produzione. Tale processo è inoltre estremamente oneroso in termini energetici ed ambientali per i costi legati al trasporto di una biomassa che potrebbe essere altrimenti utilizzata su scala locale. Per questo, specie nei sistemi di generazione di elettricità di taglia piccola e media, si ricorre all’impiego di oli vegetali puri filtrati, che presentano però problemi connessi alla loro costituzione chimico-fisica (elevata viscosità). Le conseguenze immediate sono la riduzione del rendimento e l’aumento dei consumi specifici. Contestualmente però, la pressione massima del ciclo di combustione diminuisce, e, parimenti, la temperatura di picco del ciclo di combustione, con un effetto positivo sulla produzione degli NOx che decresce al diminuire del rendimento termodinamico.
Per quanto concerne i fanghi derivanti dalla depurazione delle acque reflue urbane, a valle dell’essiccamento, ad oggi non è ancora possibile fornire una chiara indicazione sull’opzione di trattamento ottimale per il loro recupero, che può essere di energia o di materiale. A valle dell’essiccamento il fango presenta un discreto potere calorifico per cui può essere utilizzato in processi di co-combustione, incenerimento, pirolisi e gassificazione, con generazione di nuovi flussi energetici. Per quanto riguarda il recupero di materiale, il fango semplicemente essiccato o in forma di biochar, a valle dei trattamenti di pirolisi e/o gassificazione, può essere riutilizzato in ambito agricolo nel rispetto dei limiti imposti dalla Direttiva Europea 86/278/EEC e relativi recepimenti nazionali.
L’obiettivo tecnologico fondamentale del presente progetto proposto dal partenariato composto dall’Istituto Motori del Consiglio Nazionale delle Ricerche, Università degli Studi di Napoli “Parthenope”, Società Grastim J.V. S.r.l., GIOTTO – GIOTTO Water S.r.l. e PROTEG – PROTEG S.p.A. consiste nello sviluppo di un sistema di cogenerazione alimentato da due biomasse che allo stato attuale non vengono utilizzate insieme, né a livello prototipale né a livello commerciale. Le ricadute del progetto sono estremamente interessanti, in quanto comportano un’immediata riduzione dei costi e dell’impatto ambientale.
La prima problematica da affrontare consisterà nell’ottimizzazione della resa energetica del sistema cogenerativo. Le caratteristiche chimico-fisiche degli OVE dipendono dal tipo di olio e dalle condizioni di utilizzo. Le reazioni di degradazione comportano un aumento della viscosità, della densità, del contenuto di acidi grassi liberi, del materiale polare totale, dei trigliceridi polimerizzati ed una diminuzione del punto di fumo e del numero di doppi legami. Due sono le soluzioni tecnologiche proposte in letteratura per migliorare il processo di combustione degli oli vegetali puri, agendo fondamentalmente sulla viscosità: miscelazione con gasolio o preriscaldamento. Nell’ambito del progetto si valuterà quale tecnica garantisce la migliore efficienza nel caso di combustione di OVE. Da un’analisi tecnico-economica preliminare, la soluzione del preriscaldamento sembra preferibile, in relazione alla presenza dei flussi termici in uscita sia dal processo di cogenerazione che dal trattamento termico a valle dell’essiccamento. In ogni caso l’avvio del motore dovrà avvenire a gasolio per cui si studierà un sistema, manuale o automatico, di cambio alimentazione da gasolio a OVE. Si prenderà anche in esame la possibilità di equipaggiare il motore con un doppio serbatoio uno per il gasolio da utilizzarsi per la regimazione termica e la procedura di spegnimento, l’altro per l’olio da preriscaldare, insieme ad un sistema di valvole per passare da una alimentazione ad un’altra (anche nelle procedure di emergenza).
Particolare attenzione sarà dedicata all’analisi dell’emissioni della combustione di OVE, in quanto in letteratura sono ancora pochi gli studi sull’argomento. Inoltre, i motori testati sono tutti di piccola taglia, quindi non rappresentativi del caso in esame. La caratterizzazione fisico-chimica dei gas di scarico del motore alimentato ad OVE è di fondamentale importanza anche perché si utilizzeranno, come corrente calda per l’essiccamento dei fanghi, i gas di scarico stessi opportunamente miscelati con l’aria di raffreddamento del motore. Contestualmente allo studio delle emissioni del motore alimentato ad OVE, bisognerà caratterizzare dal punto di vista chimico-fisico anche il fango essiccato, per valutare l’impatto del processo di essiccamento diretto sul substrato in termini di variazione del contenuto di nutrienti e di eventuale assorbimento di sostanze contenute nei fumi, in modo da individuare la migliore soluzione di riutilizzo e/o ulteriore post-trattamento dei fanghi essiccati. Allo stato attuale infatti, l’essiccamento termico in caso di presenza di cascami termici ad alta temperatura viene generalmente realizzato in maniera indiretta, ovvero mediante scambiatori di calore. Per il riscaldamento della corrente essiccativa vengono utilizzati scambiatori per il trasferimento di calore dai gas esausti all’aria o ulteriore scambiatore intermedio, ad olio diatermico.
Per quanto concerne il funzionamento del motore dual-fuel, i principali problemi sono generalmente connessi al regime di carico: a bassi carichi la fiamma deve propagarsi attraverso una miscela troppo povera, mentre a carichi elevati si può incorrere nel fenomeno della detonazione, ovvero l’accensione spontanea della frazione di miscela cosiddetta di end-gas, posta in prossimità delle pareti del cilindro e non ancora raggiunta dal fronte di fiamma. Bisognerà quindi, una volta definite le condizioni di carico del motore, valutare la strategia di alimentazione più opportuna e considerare la formazione di specie inquinanti quali gli ossidi di azoto, gli idrocarburi incombusti ed il particolato carbonioso.