Lezione n.1

1. “Tecnico Superiore per la gestione e la verifica di impianti energetici” European Qualification Framework - EQF Valutazione degli effetti ambientali della conversione ed utilizzo dell’energia Energia e Ambiente EMISSIONI IN ATMOSFERA Ing. Michele Vannuccini AA 2015 - 2016

2. Ing. Michele Vannuccini INGEGNERE PER L’AMBIENTE ED IL TERRITORIO Laureato presso l’Università degli Studi di Firenze A.A. 2002-2003 CONTATTI: mikevannuccini@gmail.com m.vannuccini@erre-energie.it DOCENTE Va l u t a z i o n e d e g l i e ff e t t i a m b i e n t a l i d e l l a c o n v e r s i o n e e d u t i l i z z o d e l l ’ e n e r g i a

3. DOCENTE Va l u t a z i o n e d e g l i e ff e t t i a m b i e n t a l i d e l l a c o n v e r s i o n e e d u t i l i z z o d e l l ’ e n e r g i a Sede Legale Via Borgo San Donnino, 208 50052 Certaldo (FI) Sede Amministrativa e Operativa Via Senese,94 50028 Tavarnelle Val di Pesa (FI) Tel 055-5355773 Fax 055-7729377 infoerre@erre-energie.it www.erre-energie.it

4. Erre Energie Srl è una società di servizi energetici costituita nel 2009 ed è attiva sul territorio nazionale con interventi in ambito civile, industriale e nel terziario. L'attività di ricerca e sviluppo costante, portata avanti da un pool di tecnici formati nella Gestione dell’Energia (EGE), ha permesso all'azienda di consolidare in pochi anni la sua presenza sul mercato energetico legato alle fonti rinnovabili. L’azienda è accreditata presso l'AEEG (Autorità per l'Energia Elettrica e il Gas) quale ESCo (Energy Service Company) ed è, quindi, soggetto riconosciuto nel mercato dei Titoli di Efficienza Energetica (TEE), contribuendo al raggiungimento degli obiettivi previsti dal protocollo di Kyoto. Attraverso questo meccanismo Erre Energie finanzia (totalmente o parzialmente) l'installazione di tecnologie ad alta efficienza. La nostra mission è la riduzione dei consumi energetici e la diffusione delle fonti energetiche rinnovabili grazie a soluzioni tecnologiche evolute, studiate appositamente per la pubblica amministrazione in combinazione a finanziamenti o incentivi ove presenti, con il fine di migliorare l'efficienza energetica e la salvaguardia dell’ambiente. DOCENTE Va l u t a z i o n e d e g l i e ff e t t i a m b i e n t a l i d e l l a c o n v e r s i o n e e d u t i l i z z o d e l l ’ e n e r g i a

5. Va l u t a z i o n e d e g l i e ff e t t i a m b i e n t a l i d e l l a c o n v e r s i o n e e d u t i l i z z o d e l l ’ e n e r g i a

6. Va l u t a z i o n e d e g l i e ff e t t i a m b i e n t a l i d e l l a c o n v e r s i o n e e d u t i l i z z o d e l l ’ e n e r g i a

7. Sezione Macchine • Fornire le conoscenze fondamentali sulla tipologia e caratteristiche delle emissioni inquinanti connesse alla produzione ed utilizzo di energia, con particolare riferimento alla qualità dell’aria • Fornire le conoscenze e le competenze operative di base sulla diffusione delle emissioni (gas e particolato) nell’ambiente aeriforme • Imparare i fondamenti della Life Cycle Analysis OBIETTIVI DEL CORSO Va l u t a z i o n e d e g l i e ff e t t i a m b i e n t a l i d e l l a c o n v e r s i o n e e d u t i l i z z o d e l l ’ e n e r g i a

8. PREREQUISITI SCAMBIO TERMICO FLUIDODINAMICA TERMODINAMICA CONOSCENZA DI BASE Va l u t a z i o n e d e g l i e ff e t t i a m b i e n t a l i d e l l a c o n v e r s i o n e e d u t i l i z z o d e l l ’ e n e r g i a

9. PROGRAMMA DEL CORSO A. Valutazione e verifica delle emissioni in atmosfera  Emissioni caratteristiche di impianti di conversione: • impianti a vapore/generatori di calore • turbine a gas • motori volumetrici a combustione interna  Emissioni da traffico veicolare  Fattori di emissione  Inventari delle emissioni  Inquinanti primari, secondari, in traccia  Normativa sulle emissioni inquinanti  Unità di misura, conversioni e correzioni per confronto con limiti normativi  Emissioni alla fonte  Testo Unico sull’Ambiente  BATs e BREF Va l u t a z i o n e d e g l i e ff e t t i a m b i e n t a l i d e l l a c o n v e r s i o n e e d u t i l i z z o d e l l ’ e n e r g i a

10. PROGRAMMA DEL CORSO A. Valutazione e verifica delle emissioni in atmosfera  Introduzione alla combustione • Combustibili tecnici • Caratteristiche ed analisi del combustibile • Conduzione di calcoli sulla stechiometria della combustione • Calcolo dei reagenti e dei prodotti Va l u t a z i o n e d e g l i e ff e t t i a m b i e n t a l i d e l l a c o n v e r s i o n e e d u t i l i z z o d e l l ’ e n e r g i a

11. PROGRAMMA DEL CORSO A. Valutazione e verifica delle emissioni in atmosfera  Effetto serra e contenimento delle emissioni di anidride carbonica  Protocollo di Kyoto  Carbon Footprint - Esempi di calcolo  Emissioni di metano  Life Cycle Assessment Va l u t a z i o n e d e g l i e ff e t t i a m b i e n t a l i d e l l a c o n v e r s i o n e e d u t i l i z z o d e l l ’ e n e r g i a

12. PROGRAMMA DEL CORSO A. Valutazione e verifica delle emissioni in atmosfera  La misura delle emissioni gassose e di particolato  Conversione tra unità di misura volumetriche, di massa ed energetiche  Analizzatori di gas (principio di funzionamento): NDIR, FID, CL, polarografici e paramagnetici.  Analizzatori di combustione  Gascromatografo Va l u t a z i o n e d e g l i e ff e t t i a m b i e n t a l i d e l l a c o n v e r s i o n e e d u t i l i z z o d e l l ’ e n e r g i a

13. PROGRAMMA DEL CORSO B. Trattamento delle emissioni  Rimozione del particolato  Efficienza di rimozione  Distribuzioni di granulometria  Equilibrio dinamico delle particelle  Cicloni, principio fisico di funzionamento  Perdita di pressione nei cicloni  Multicicloni, cicloni a umido  Principi di funzionamento di sistemi con filtri elettrostatici ed a maniche  Selezione del sistema di depolverazione Va l u t a z i o n e d e g l i e ff e t t i a m b i e n t a l i d e l l a c o n v e r s i o n e e d u t i l i z z o d e l l ’ e n e r g i a

14. PROGRAMMA DEL CORSO B. Trattamento delle emissioni  Rimozione degli inquinanti gassosi  Condensazione  Assorbimento (torri di lavaggio, scrubber venturi, spray absorber)  Adsorbimento  Rimozione per combustione/ossidazione Va l u t a z i o n e d e g l i e ff e t t i a m b i e n t a l i d e l l a c o n v e r s i o n e e d u t i l i z z o d e l l ’ e n e r g i a

15. PROGRAMMA DEL CORSO B. Trattamento delle emissioni  Esempi di sistemi industriali di trattamento effluenti: • Desolforazione • Rimozione dei gas acidi e degli NOx  Sistema AMIS per trattamento effluenti da impianti geotermici  Cenni alle soluzioni per la cattura e lo stoccaggio dell'anidride carbonica Va l u t a z i o n e d e g l i e ff e t t i a m b i e n t a l i d e l l a c o n v e r s i o n e e d u t i l i z z o d e l l ’ e n e r g i a

16. TESTI, DOCUMENTAZIONE E PROVE D’ESAME • Culp, A., 1980, “Energy Conversion”, McGraw-Hill. • Finzi, G., Brusasca, G., 1991, "La qualità dell'aria. Modelli previsionali e gestionali", Masson • Wark, K., Warner, C.F., 1981, "Air Pollution. Its origin and control", Harper & Row. • Zannetti, P, “Air Pollution Modeling” Computational Mechanics Publications, Van Nostrand-Reinhold, 1990. • Cau, G., Cocco, D., “L’Impatto Ambientale dei Sistemi Energetici”, SGE 2004 • Caputo, C. (a cura di), “L’Impatto delle Macchine sull’Ambiente”, Masson, 1998 • Bejan, Moran, Tsatsaronis, “Thermal Design and Optimization”, Wiley Modalità di esame: • n.1 Prova di verifica scritta • Eventuale esame orale basato sulle carenze dimostrate nelle prove scritte Va l u t a z i o n e d e g l i e ff e t t i a m b i e n t a l i d e l l a c o n v e r s i o n e e d u t i l i z z o d e l l ’ e n e r g i a

17. CALENDARIO DEL CORSO Data Orario N. ore Docente martedì 22 settembre 2015 9.00 - 13.00 4 Vannuccini martedì 29 settembre 2015 14.00 - 18.00 4 Vannuccini giovedì 8 ottobre 2015 10.00 - 13.00 4 Vannuccini venerdì 16 ottobre 2015 9.00 - 13.00 4 Lombardi martedì 20 ottobre 2015 14.00 - 17.00 4 Vannuccini venerdì 23 ottobre 2015 9.00 - 13.00 4 Lombardi martedì 27 ottobre 2015 14.00 - 17.00 4 Vannuccini venerdì 6 novembre 2015 14.00 - 18.00 4 Lombardi mercoledì 11 novembre 2015 14.00 - 18.00 4 Patrizi venerdì 13 novembre 2015 9.00 - 13.00 4 Lombardi martedì 17 novembre 2015 14.00 - 18.00 4 Patrizi venerdì 20 novembre 2015 9.00 - 13.00 4 Lombardi martedì 24 novembre 2015 14.00 - 18.00 4 Patrizi venerdì 27 novembre 2015 9.00 - 13.00 4 Lombardi martedì 1 dicembre 2015 14.00 - 18.00 4 Patrizi mercoledì 9 dicembre 2015 14.00 - 18.00 4 Patrizi venerdì 11 dicembre 2015 9.00 - 13.00 4 Lombardi venerdì 18 dicembre 2015 9.00 - 13.00 4 Lombardi ESAME FINALE Va l u t a z i o n e d e g l i e ff e t t i a m b i e n t a l i d e l l a c o n v e r s i o n e e d u t i l i z z o d e l l ’ e n e r g i a

18. INQUINAMENTO ATMOSFERICO E m i s s i o n i i n a t m o s f e r a d a i m p i a n t i d i c o n v e r s i o n e d e l l ’ e n e r g i a

19. INQUINAMENTO ATMOSFERICO E m i s s i o n i i n a t m o s f e r a d a i m p i a n t i d i c o n v e r s i o n e d e l l ’ e n e r g i a

20. INQUINAMENTO ATMOSFERICO E m i s s i o n i i n a t m o s f e r a d a i m p i a n t i d i c o n v e r s i o n e d e l l ’ e n e r g i a Presenza nell'atmosfera di sostanze che causano una riduzione dell’utilizzabilità della risorsa, in termini di qualità, e/o un effetto negativo misurabile su esseri umani, flora, fauna o materiali; queste sostanze di solito non sono presenti nella normale composizione dell’aria, oppure lo sono a livelli di concentrazione inferiori.

23. EMISSIONI IN ATMOSFERA DA IMPIANTI DI CONVERSIONE DELL’ENERGIA E m i s s i o n i i n a t m o s f e r a d a i m p i a n t i d i c o n v e r s i o n e d e l l ’ e n e r g i a Specie Effetto Inquinante Tempo di Residenza CO2 – Anidride Carbonica Effetto Serra Molto Elevato – effetto globale CO – Monossido di Carbonio Tossico, tende a legarsi con emoglobina Basso – effetto locale HC – idrocarburi tra cui gli IPA Smog fotochimico, cancerogeni, tossico, effetto sera (CH4) Basso – effetto locale Elevato – effetto globale NOx - ossidi di azoto Smog fotochimico, deposizioni acide, tossico, effetto serra Basso – effetto locale SOx - ossidi di zolfo Tossico, deposizioni acide Basso – effetto locale PTS - Particolato solido sospeso (totale) Tossico, effetto frigorifero Basso – effetto locale Microinquinanti Organici Diossine e Furani Tossico Elevato – effetto locale

24. SITUAZIONE GENERALE E CONFRONTO CON ALTRE FONTI DI INQUINAMENTO – DATI ISPRA 2012 E m i s s i o n i i n a t m o s f e r a d a i m p i a n t i d i c o n v e r s i o n e d e l l ’ e n e r g i a = 1000 t

25. SITUAZIONE GENERALE E CONFRONTO CON ALTRE FONTI DI INQUINAMENTO – DATI ISPRA 2012 E m i s s i o n i i n a t m o s f e r a d a i m p i a n t i d i c o n v e r s i o n e d e l l ’ e n e r g i a

28. SITUAZIONE GENERALE E CONFRONTO CON ALTRE FONTI DI INQUINAMENTO – DATI ISPRA 2012 E m i s s i o n i i n a t m o s f e r a d a i m p i a n t i d i c o n v e r s i o n e d e l l ’ e n e r g i a Benzene

29. SITUAZIONE GENERALE E CONFRONTO CON ALTRE FONTI DI INQUINAMENTO – DATI ISPRA 2012 E m i s s i o n i i n a t m o s f e r a d a i m p i a n t i d i c o n v e r s i o n e d e l l ’ e n e r g i a Composti Organici Volatili – Non Metanici

30. IMPIANTI E m i s s i o n i i n a t m o s f e r a d a i m p i a n t i d i c o n v e r s i o n e d e l l ’ e n e r g i a

31. IMPIANTI A VAPORE E m i s s i o n i i n a t m o s f e r a d a i m p i a n t i d i c o n v e r s i o n e d e l l ’ e n e r g i a

32. IMPIANTI A VAPORE Caratterizzazione: Sono del tipo a combustione esterna: le emissioni sono del tutto simili a quelle degli impianti per produzione di calore e dipendono in larga misura dal tipo di combustibile utilizzato. Quantitativamente sono rilevanti perché questi impianti coprono la maggior parte del carico termoelettrico. Inoltre per le loro caratteristiche di flessibilità si tende ad utilizzarli proprio con combustibili difficili e di basso costo. Inquinanti in traccia metalli pesanti diossine ammoniaca mercurio arsenico inq. radioattivi Ossidi di azoto Ossidi di zolfo Monossido di carbonio ed idrocarburi incombusti (HC) Particolato E m i s s i o n i i n a t m o s f e r a d a i m p i a n t i d i c o n v e r s i o n e d e l l ’ e n e r g i a

33. IMPIANTI A VAPORE Motivazioni delle emissioni: • La maggior parte dei problemi si presenta per utilizzo di combustibili solidi (carbone, CDR = combustibile derivato da rifiuti): questi, oltre a contenere impurità, bruciano con rapporti di miscela aria/combustibile locali non perfettamente omogenei e richiedono per questo condizioni ossidanti (eccesso d’aria complessivo considerevole) • I problemi più gravi si hanno per combustibili (solidi o liquidi) a forte tenore di zolfo (olii combustibili, carbone: fino al 7%) E m i s s i o n i i n a t m o s f e r a d a i m p i a n t i d i c o n v e r s i o n e d e l l ’ e n e r g i a

34. IMPIANTI A VAPORE Soluzioni: • Utilizzo di combustibili a basso tenore di zolfo (originari o desolforati) • Desolforazione dei gas di scarico • Rimozione del particolato (cicloni, filtri elettrostatici, filtri a manica) • Combustori a bassa emissione di NOx (combustione a stadi, anche a livello del focolare) • Denitrificazione dei gas di scarico • Controllo accurato della temperatura allo scarico e delle condizioni operative dei filtri (emissioni in traccia) • Miglioramento della regolazione (transitori di accensione e spegnimento, modulazione del carico) E m i s s i o n i i n a t m o s f e r a d a i m p i a n t i d i c o n v e r s i o n e d e l l ’ e n e r g i a

35. IMPIANTI A VAPORE Soluzioni avanzate: • Combustione in letto fluido (limitazione NOx e possibilità di rimozione a caldo di specie acide con uso di additivi). Il combustore a letto fluido è costituito essenzialmente da un cilindro verticale in cui il combustibile (ad esempio il rifiuto o il CDR) viene tenuto in sospensione (fluidificato) da una corrente d’aria inviata attraverso una griglia posta alla base del cilindro stesso. In molti casi il cilindro contiene un inerte che si mescola al materiale da bruciare all’atto dell’alimentazione, in modo da favorire i processi di scambio termico, fornire sufficiente inerzia termica al sistema e regolarizzare il processo. Un tipico inerte è costituito da sabbia. L’aria assolve alla duplice funzione di partecipare al processo di combustione e, fatto più specifico, di sollevare la massa di sabbia che sovrasta la griglia. La camera di combustione è rappresentata proprio dal letto di sabbia in stato fluido e la camera del materiale, entrando in questa zona, subisce subito quei processi di disidratazione e di combustione tipici del processo, data anche l’elevata superficie di scambio E m i s s i o n i i n a t m o s f e r a d a i m p i a n t i d i c o n v e r s i o n e d e l l ’ e n e r g i a

36. IMPIANTI A VAPORE Soluzioni avanzate: E m i s s i o n i i n a t m o s f e r a d a i m p i a n t i d i c o n v e r s i o n e d e l l ’ e n e r g i a

37. IMPIANTI A VAPORE Soluzioni avanzate: • Sostituzione con gassificatori di combustibili solidi, accoppiati a sistemi a ciclo combinato gas-vapore La Gassificazione è una tecnologia di conversione termochimica per mezzo della quale un combustibile solido (Biomassa legnosa) viene trasformato in un combustibile gassoso (Syngas). La trasformazione avviene in un reattore stagno, in mancanza di ossigeno e a temperature intorno ai 1000 °C. Il Syngas può essere utilizzato per la produzione di Energia Termica ed Energia Elettrica, in maniera combinata tramite un cogeneratore. L'energia prodotta utilizzando il Syngas o Gas di sintesi è a tutti gli effetti un'energia rinnovabile. E m i s s i o n i i n a t m o s f e r a d a i m p i a n t i d i c o n v e r s i o n e d e l l ’ e n e r g i a

38. IMPIANTI TURBOGAS Gli impianti a turbina a gas sono composti da un compressore ed una turbina collegati tra loro meccanicamente, come visibile in figura, l’aria compressa viene inviata al combustore dove si miscela con il combustibile, ed i gas combusti così prodotti espandono in turbina cedendo la loro energia. E m i s s i o n i i n a t m o s f e r a d a i m p i a n t i d i c o n v e r s i o n e d e l l ’ e n e r g i a

39. IMPIANTI TURBOGAS La differenza sostanziale rispetto alle turbine a vapore risiede nel fatto che in quelle a gas il fluido operativo è il prodotto stesso della combustione e pertanto deve essere privo di particelle solide e corrosive che potrebbero danneggiare irrimediabilmente le palettature; per questo motivo (salvo particolari soluzioni) non è possibile utilizzare combustibili solidi ma esclusivamente liquidi (olii combustibili a basso tenore di zolfo) o gassosi (gas naturale o di sintesi). I gas di scarico espansi possiedono ancora una notevole quantità di calore, che può essere perduta allo scarico (Ciclo Semplice) oppure recuperata installando un impianto a vapore che recuperi il calore residuo (Ciclo Combinato o Cogenerativo) per produrre altra energia elettrica mediante una turbina a vapore, oppure direttamente vapore o acqua calda per usi tecnologici o di teleriscaldamento. E m i s s i o n i i n a t m o s f e r a d a i m p i a n t i d i c o n v e r s i o n e d e l l ’ e n e r g i a

40. IMPIANTI TURBOGAS I turbogas hanno caratteristiche di emissione estremamente ridotte, specialmente nelle applicazioni terrestri dove sono tipicamente alimentati da gas naturale. Ossidi di azoto Monossido di carbonio ed idrocarburi incombusti (HC) Particolato E m i s s i o n i i n a t m o s f e r a d a i m p i a n t i d i c o n v e r s i o n e d e l l ’ e n e r g i a

41. IMPIANTI TURBOGAS Motivi: • Il quantitativo di NOx emessi, riferito all’unità di energia, è molto basso; la combustione in rilevante eccesso d’aria favorisce però l’ossidazione diretta a NO2 (più tossico di NO) • Gli idrocarburi incombusti non dovrebbero formarsi in una TG correttamente gestita (possono formarsi nel caso di TG alimentate a liquido con ugelli atomizzatori sporchi). Il CO è emesso in quantità molto limitata e principalmente al carico minimo • La fumosità è assente nel caso di alimentazione a gas naturale; può essere un problema per alimentazione a combustibile liquido (propulsione aeronautica) • Nelle applicazioni a ciclo combinato con turbine a gas si raggiungono rendimenti molto elevati (>60%). Di conseguenza si ha un inquinamento termico (calore di scarico) molto ridotto, ed una produzione di inquinanti e di CO2 riferiti all’unità energetica (kWh) tra le più basse ottenibili nel campo della conversione dell’energia • Problemi di emissioni possono incontrarsi con TG che operano su combustibili di scarso pregio (olio pesante, carbone, scarti di raffineria, etc.) E m i s s i o n i i n a t m o s f e r a d a i m p i a n t i d i c o n v e r s i o n e d e l l ’ e n e r g i a

42. IMPIANTI TURBOGAS Soluzioni di trattamento: • Utilizzo di combustibili pregiati (gas naturale) • Controllo dell’eccesso d’aria (diminuire al minimo l’aria in eccesso alla combustione in modo da evitare di avere ossigeno libero di legarsi all’azoto dell’aria stessa) • Combustori a bassa emissione di NOx (combustione a stadi; ricircolo dei gas di combustione) • Denitrificazione dei gas di scarico (costosissima, tecnologia consente di ridurre la formazione degli NOx grazie all’immissione in camera di combustione di acqua o vapore. Nel caso di acqua essa, evaporando, assorbe calore dalla fiamma, mitigandone la temperatura. Nel caso di vapore si punta ad una semplice riduzione di temperatura della fiamma per mescolamento con vapore a temperatura più bassa. Quest’ultimo caso è però più frequente nelle camere di combustione delle turbine a gas, per ridurre le sollecitazione termica delle palette. L’effetto benefico della riduzione degli ossidi di azoto è anche in tal caso dovuto alla riduzione della temperatura di fiamma e quindi alla mitigazione della formazione di NOx termici.) E m i s s i o n i i n a t m o s f e r a d a i m p i a n t i d i c o n v e r s i o n e d e l l ’ e n e r g i a

43. IMPIANTI TURBOGAS Soluzioni avanzate: • Combustori catalitici (mediante opportuni catalizzatori, si cerca di far avvenire la reazione di ossidazione del combustibile a temperature inferiori a quelle usuali, fino a 1000 °C in meno rispetto ad una combustione convenzionale. In tal modo si hanno notevoli riduzioni delle emissioni di NOx) Il processo di SCR attua una riduzione degli ossidi di azoto, i quali alla fine sono convertiti in azoto molecolare (N2) ed acqua (H2O), mediante l’aggiunta di ammoniaca (NH3) o di urea (CH4N2O), che fungono da agenti riducenti. La cinetica delle reazioni chimiche di riduzione è agevolata dall’utilizzo di un apposito catalizzatore, il quale serve a garantire un adeguato grado di conversione dei reagenti nei prodotti finali (dal momento che tale intervento si svolge in un range di temperature comprese tra 250 °C e 450 °C e quindi con bassi livelli di energia di attivazione) E m i s s i o n i i n a t m o s f e r a d a i m p i a n t i d i c o n v e r s i o n e d e l l ’ e n e r g i a

44. IMPIANTI CON MOTORI A COMBUSTIONE INTERNA (MCI) VOLUMETRICI ALTERNATIVI (NAVI, VEICOLI) E m i s s i o n i i n a t m o s f e r a d a i m p i a n t i d i c o n v e r s i o n e d e l l ’ e n e r g i a Il motore a combustione interna (MCI) è definito come macchina motrice endotermica che permette di convertire l'energia chimica, posseduta da una miscela aria-combustibile (benzina-diesel-cherosene-gpl-metano-ecc...), in lavoro meccanico reso disponibile all'albero motore ed in generale al sistema di trasmissione. I motori a scoppio o diesel sono CHIAMATI ALTERNATIVI perché utilizzano un meccanismo biella-manovella per la trasformazione del moto alternativo di uno stantuffo (PISTONE) in moto rotatorio dell’albero motore.

45. IMPIANTI CON MOTORI A COMBUSTIONE INTERNA (MCI) VOLUMETRICI ALTERNATIVI (NAVI, VEICOLI) E m i s s i o n i i n a t m o s f e r a d a i m p i a n t i d i c o n v e r s i o n e d e l l ’ e n e r g i a MOTORI A CARBURAZIONE (o a SCOPPIO): sono quelli in cui il combustibile liquido nebulizzato viene mescolato con l’aria comburente formando una miscela gassosa che viene introdotta nel cilindro operatore. Quando la miscela è compressa, una scintilla generata dalla candela ne provoca la combustione. Per tale motivo questi motori si chiamano anche ad accensione comandata.

46. IMPIANTI CON MOTORI A COMBUSTIONE INTERNA (MCI) VOLUMETRICI ALTERNATIVI (NAVI, VEICOLI) E m i s s i o n i i n a t m o s f e r a d a i m p i a n t i d i c o n v e r s i o n e d e l l ’ e n e r g i a MOTORI A INIEZIONE (o DIESEL): sono quelli in cui il combustibile polverizzato viene introdotto all’interno del cilindro operatore che già contiene aria compressa e ad elevata temperatura. Il combustibile a contatto con l’aria comburente calda si incendia spontaneamente; da qui il nome di motori ad accensione spontanea.

47. IMPIANTI CON MOTORI A COMBUSTIONE INTERNA (MCI) VOLUMETRICI ALTERNATIVI (NAVI, VEICOLI) E m i s s i o n i i n a t m o s f e r a d a i m p i a n t i d i c o n v e r s i o n e d e l l ’ e n e r g i a Caratterizzazione: I Motori Volumetrici a Combustione Interna sono responsabili di gran parte dell’inquinamento atmosferico legato alla conversione dell’energia. Microinquinanti ad alta tossicità Ossidi di azoto Monossido di carbonio ed idrocarburi incombusti (HC) Particolato

48. IMPIANTI CON MOTORI A COMBUSTIONE INTERNA (MCI) VOLUMETRICI ALTERNATIVI (NAVI, VEICOLI) E m i s s i o n i i n a t m o s f e r a d a i m p i a n t i d i c o n v e r s i o n e d e l l ’ e n e r g i a Motivi: I tempi limitati a disposizione per il completamento delle reazioni di combustione sono i principali responsabili delle elevate emissioni (cinetica chimica). Il rendimento basso, specie nelle applicazioni come l’autotrazione che richiedono l’esercizio con carichi molto variabili, comporta cifre di emissione riferite all’unità di energia prodotta estremamente elevate. Peraltro in queste applicazioni si preferisce riferire le emissioni all’ambiente al chilometro oppure (più correttamente, in modo da tenere conto degli effetti dinamici che sono molto importanti) a cicli di riferimento (ECE, SAE, etc.). NOTA: Il ciclo Urbano di Omologazione ECE. - Questo ciclo fa riferimento ad una procedura di prova per calcolare i consumi di combustibile, in cui il veicolo è accelerato, frenato e lasciato girare a regime di rotazione minimo per intervalli di tempo prestabiliti. Questa analisi permette di confrontare sullo stesso percorso auto diverse.

49. IMPIANTI CON MOTORI A COMBUSTIONE INTERNA (MCI) VOLUMETRICI ALTERNATIVI (NAVI, VEICOLI) E m i s s i o n i i n a t m o s f e r a d a i m p i a n t i d i c o n v e r s i o n e d e l l ’ e n e r g i a Motivi: Per il CO i MCI sono responsabili di oltre il 40% del rilascio globale nell’ambiente. Anche la produzione di HC è rilevante (>40% tra Benzene e non-metanici generici - come per il CO a seguito di problemi di incompleta combustione e di cinetica delle reazioni relativamente lenta rispetto ai tempi limitatissimi disponibili per il ciclo).

50. IMPIANTI CON MOTORI A COMBUSTIONE INTERNA (MCI) VOLUMETRICI ALTERNATIVI (NAVI, VEICOLI) E m i s s i o n i i n a t m o s f e r a d a i m p i a n t i d i c o n v e r s i o n e d e l l ’ e n e r g i a Motivi: Per gli NOx la quota di produzione dei MCI è valutata superiore al 50% delle immissioni totali nell’ambiente. Nel panorama attuale buona parte delle emissioni sono legati ai motori diesel (automobili e veicoli commerciali pesanti + bus).

51. IMPIANTI CON MOTORI A COMBUSTIONE INTERNA (MCI) VOLUMETRICI ALTERNATIVI (NAVI, VEICOLI) E m i s s i o n i i n a t m o s f e r a d a i m p i a n t i d i c o n v e r s i o n e d e l l ’ e n e r g i a Motivi: Per il particolato, particolarmente evidenti sono i problemi dei motori diesel, legati in genere a non corretta manutenzione della pompa di iniezione e ad atomizzazione insoddisfacente del combustibile. Oggi si vanno diffondendo filtri specifici allo scarico (Trappole di particolato). Il particolato emesso (in misura minore) dai MCI ad Acc. Comandata è peraltro più insidioso, di granulometria più fine, meno evidente ma più tossico per la sua capacità di adsorbire e trasportare microinquinanti nocivi.

52. IMPIANTI CON MOTORI A COMBUSTIONE INTERNA (MCI) VOLUMETRICI ALTERNATIVI (NAVI, VEICOLI) E m i s s i o n i i n a t m o s f e r a d a i m p i a n t i d i c o n v e r s i o n e d e l l ’ e n e r g i a Motivi: I MCI sono responsabili di una serie molto ampia di microinquinanti, perlopiù HC di catena benzenica, ma anche ammoniaca e diossine di elevata tossicità. Di nuovo, i tempi limitati disponibili per la combustione e lo scarico pongono problemi molto ardui per la possibilità sia di riduzione alla fonte, sia di trattamento dopo l’emissione.

53. IMPIANTI CON MOTORI A COMBUSTIONE INTERNA (MCI) VOLUMETRICI ALTERNATIVI (NAVI, VEICOLI) E m i s s i o n i i n a t m o s f e r a d a i m p i a n t i d i c o n v e r s i o n e d e l l ’ e n e r g i a Soluzioni di trattamento: • Per CO ed HC la soluzione - previa ottimizzazione dei parametri di gestione del motore - è la rimozione catalitica in ambiente ossidante • Una quota non trascurabile delle emissioni di HC non proviene dalla combustione (es. vapori di olio dal carter motore; vapori di combustibile dalle operazioni di rifornimento) ed il suo contenimento deve essere affrontato in modo diverso dal trattamento delle emissioni allo scarico (es. riciclaggio vapori del carter; ottimizzazione del sistema di distribuzione e rifornimento;…) • Per gli NOx la soluzione di trattamento è ancora la rimozione catalitica, ma in ambiente riducente. Ciò impone la necessità di una corretta gestione elettronica del complesso catalizzatore/sistema di iniezione

54. FATTORI DI EMISSIONE E m i s s i o n i i n a t m o s f e r a d a i m p i a n t i d i c o n v e r s i o n e d e l l ’ e n e r g i a

55. FATTORI DI EMISSIONE E m i s s i o n i i n a t m o s f e r a d a i m p i a n t i d i c o n v e r s i o n e d e l l ’ e n e r g i a I fattori di emissione legati a processi di combustione possono essere indifferentemente espressi secondo le seguenti grandezze: • Quantità di inquinante prodotto per unità di massa di combustibile (es. g/tcombustibile) • Quantità di inquinante prodotto per unità di energia di combustibile (es. g/GJcombustibile) • Quantità di inquinante prodotto per tonnellata di petrolio equivalente (es. g/tep) • Quantità di inquinante prodotto per unità di volume di fumi di combustione, o concentrazione di inquinante (es. g/Nm3 fumi) • Quantità di inquinante prodotto nell’unità di tempo (es. g/s) • Quantità di inquinante prodotto per unità di energia prodotta (es. g/kWh)

56. FATTORI DI EMISSIONE E m i s s i o n i i n a t m o s f e r a d a i m p i a n t i d i c o n v e r s i o n e d e l l ’ e n e r g i a TEP (TOE) = Tonnellata equivalente di petrolio (total oil equivalent), rappresenta la quantità di energia rilasciata da una tonnellata di petrolio (1 TEP = 42 GJ).

57. CALCOLO DEL FATTORE DI EMISSIONE - ANIDRIDE CARBONICA - E m i s s i o n i i n a t m o s f e r a d a i m p i a n t i d i c o n v e r s i o n e d e l l ’ e n e r g i a Bilancio elementare della combustione del Carbonio:

58. CARATTERISTICHE DEI COMBUSTIBILI SOLIDI E m i s s i o n i i n a t m o s f e r a d a i m p i a n t i d i c o n v e r s i o n e d e l l ’ e n e r g i a

59. CARATTERISTICHE DEI COMBUSTIBILI LIQUIDI E m i s s i o n i i n a t m o s f e r a d a i m p i a n t i d i c o n v e r s i o n e d e l l ’ e n e r g i a

60. CARATTERISTICHE DEI COMBUSTIBILI GASSOSI E m i s s i o n i i n a t m o s f e r a d a i m p i a n t i d i c o n v e r s i o n e d e l l ’ e n e r g i a

61. FATTORI DI EMISSIONE CO2 E m i s s i o n i i n a t m o s f e r a d a i m p i a n t i d i c o n v e r s i o n e d e l l ’ e n e r g i a

62. TECNICHE DI RIDUZIONE DELLE EMISSIONI DI CO2 E m i s s i o n i i n a t m o s f e r a d a i m p i a n t i d i c o n v e r s i o n e d e l l ’ e n e r g i a

63. ESEMPI DI CALCOLO – FATTORI DI EMISSIONE CO2 CENTRALE TERMOELETTRICA A CARBONE E m i s s i o n i i n a t m o s f e r a d a i m p i a n t i d i c o n v e r s i o n e d e l l ’ e n e r g i a • Uso di carbone con la composizione riportata in tabella • Efficienza elettrica pari al 40% • Potere Calorifico Inferiore pari a 31.000 kJ/kg • Potenza netta centrale: 320 Mwe • Ore di funzionamento annue: 7500 h/anno

64. ESEMPI DI CALCOLO – FATTORI DI EMISSIONE CO2 E m i s s i o n i i n a t m o s f e r a d a i m p i a n t i d i c o n v e r s i o n e d e l l ’ e n e r g i a 0,845 kgC/kgf % massa C 31000 kJ/kgf Potere calorifico 3,67 kgCO2/kgCConversione C-CO2 0,4 Eta Rendimento 3600 kJ/kWh 320 Mwe Potenza elettrica Fattore conversione 800 MWT Potenza termica focolare 7500 h/anno Ore/anno funzionamento 25,81 kg/s f Portata combustibile 21,81 kg/s C Portata carbonio 79,96 kg/s CO2 287,85 t/h Emissioni assolute 2158838,71 T/a 2158838710 kg/a 2400000 MWh/a 2400000000 kWh/a 0,90 kg CO2/kWh Emissione specifica: 899,52 gCO2/kWh kgCO2/MWh

65. ESEMPIO DI CALCOLO DI EMISSIONI DI CO2 CICLO COMBINATO CON TG (320 MWE) E m i s s i o n i i n a t m o s f e r a d a i m p i a n t i d i c o n v e r s i o n e d e l l ’ e n e r g i a • Gas naturale 90% • Potere Calorifico Inferiore CH4 pari a 46.600 kJ/kg • Rendimento  = 56% • Tempo di funzionamento: 8000 h/anno

66. ESEMPIO DI CALCOLO DI EMISSIONI DI CO2 CICLO COMBINATO CON TG (320 MWE) E m i s s i o n i i n a t m o s f e r a d a i m p i a n t i d i c o n v e r s i o n e d e l l ’ e n e r g i a 0,9 kgC/kgf % massa C 46600 kJ/kgf Potere calorifico inferiore 2,75 kgCO2/kgCH4 Conversione CH4-CO2 0,56 Eta Rendimento 3600 kJ/kWh 320 Mwe Potenza elettrica Fattore conversione 571,43 MWT Potenza termica camera combustione 8000 h/anno Ore/anno funzionamento 12,26 kg/s f Portata combustibile 11,04 kg/s C Portata metano 30,35 kg/s CO2 109,26 t/h Emissioni assolute 874064,99 T/a 874064991 kg/a 2560000 MWh/a 2560000000 kWh/a 0,34 kg CO2/kWh Emissione specifica: 341,43 gCO2/kWh kgCO2/MWh

67. ESEMPIO DI CALCOLO DI EMISSIONI DI CO2 TERMOVALORIZZATORE E m i s s i o n i i n a t m o s f e r a d a i m p i a n t i d i c o n v e r s i o n e d e l l ’ e n e r g i a 0,28 kgC/kgf % massa C 0,093 kgC/kgf % massa C NonRinn 10450 kJ/kgf Potere calorifico inferiore 0,22 Eta Rendimento 3600 kJ/kWh 15 Mwe Potenza elettrica Fattore conversione 3,666667 Rapporto kgCO2/kgC 68,18182 MWT Potenza termica focolare 8000 h/anno Ore/anno funzionamento 6,52 kg/s f Portata combustibile

68. ESEMPIO DI CALCOLO DI EMISSIONI DI CO2 TERMOVALORIZZATORE E m i s s i o n i i n a t m o s f e r a d a i m p i a n t i d i c o n v e r s i o n e d e l l ’ e n e r g i a 1,83 kg/s C Portata carbonio 6,70 kg/s CO2 24,11 t/h Emissioni assolute 192918,66 T/a 192918660 kg/a 120000 MWh/a 120000000 kWh/a 1,61 kg CO2/kWh Emissione specifica: 1607,66 gCO2/kWh kgCO2/MWh 0,61 kg/s C Portata carbonio Non Rinnovabile 2,22 kg/s CO2 8,01 t/h Emissioni assolute 64076,555 T/a 64076555 kg/a 120000 MWh/a 120000000 kWh/a 0,53 kg CO2/kWh Emissione specifica: 533,97 gCO2/kWh kgCO2/MWh

69. INVENTARI E m i s s i o n i i n a t m o s f e r a d a i m p i a n t i d i c o n v e r s i o n e d e l l ’ e n e r g i a Per caratterizzare un processo con emissioni inquinanti in atmosfera se non sono disponibili misure legate al monitoraggio in continua della sorgente emissiva o a controlli periodici effettuati dagli enti competenti (ARPA) si utilizzano FATTORI DI EMISSIONE derivanti da INVENTARI Un inventario di emissioni viene definito dal DM 20.05.91 come: “una serie organizzata di dati relativi alla quantità di inquinanti introdotti in atmosfera da sorgenti naturali e/o attività antropiche”

70. INVENTARI, QUALI APPLICAZIONI? E m i s s i o n i i n a t m o s f e r a d a i m p i a n t i d i c o n v e r s i o n e d e l l ’ e n e r g i a • Fornire un supporto per la valutazione e la gestione della qualità dell’aria ambiente (Dlgs 351/99 e DM 261/02) • Permettere la stesura di mappe delle emissioni per la pianificazione Territoriale • Realizzare una banca dati a cui attingere per rispondere agli obblighi normativi (convenzioni internazionali) • Fornire i dati di input ai modelli matematici di dispersione e meteo • Rendere possibile l’elaborazione di scenari di intervento al fine di ridurre l’incidenza di uno o più inquinanti (accordi di programma PM10)

71. INVENTARI – FINALITÁ E m i s s i o n i i n a t m o s f e r a d a i m p i a n t i d i c o n v e r s i o n e d e l l ’ e n e r g i a

72. INVENTARI E m i s s i o n i i n a t m o s f e r a d a i m p i a n t i d i c o n v e r s i o n e d e l l ’ e n e r g i a INVENTARIO EUROPEO DELLE EMISSIONI European Environment Agency EEA EMEP / CORINAIR Emission Inventory Guidebook (2013) http://www.eea.europa.eu/publications/emep-eea-guidebook-2013 INVENTARIO AMERICANO DELLE EMISSIONI Environmental Protection Agency EPA AP42, Fifth Edition – Compilation of Air Pullutant Emission Factors (2007) http://www3.epa.gov/ttnchie1/ap42/ INVENTARIO REGIONALE DELLE EMISSIONI - Regione Toscana Generalmente un inventario si intende localese l’entità territoriale o amministrativa a cui si riferisce la stima di emissioni è subnazionale (scala regionale, provinciale, comunale) IRSE – Inventario Regionale delle Sorgenti Emissive in aria ambiente http://servizi2.regione.toscana.it/aria/

73. INVENTARI - CORINAIR E m i s s i o n i i n a t m o s f e r a d a i m p i a n t i d i c o n v e r s i o n e d e l l ’ e n e r g i a

74. INVENTARI – AP42 E m i s s i o n i i n a t m o s f e r a d a i m p i a n t i d i c o n v e r s i o n e d e l l ’ e n e r g i a

75. INVENTARI – IRSE – REGIONE TOSCANA E m i s s i o n i i n a t m o s f e r a d a i m p i a n t i d i c o n v e r s i o n e d e l l ’ e n e r g i a

81. CALCOLO EMISSIONI CO2 E NOX DA INVENTARIO EMEP CENTRALE TERMOELETTRICA E m i s s i o n i i n a t m o s f e r a d a i m p i a n t i d i c o n v e r s i o n e d e l l ’ e n e r g i a Un impianto termoelettrico produce una potenza elettrica P=160MW Rendimento  = 0,38; Combustibile con frazione in massa di carbonio Xm C = 0,8 Potere calorifico inferiore PCI = 27000 kJ/kg. Volume al camino di fumi secchi Vfs = 10 Nm3 /kg di combustibile bruciato Il fattore di emissione di NO2 è fe NO2 =125 g/GJ di combustibile. Calcolare: • la portata di combustibile mf • il fattore di emissione specifico di CO2 riferito all'unità di energia elettrica prodotta (kg/MWh) • la concentrazione di NO2 nei fumi di combustione in mg/Nm3

82. CALCOLO EMISSIONI CO2 E NOX DA INVENTARIO EMEP CENTRALE TERMOELETTRICA E m i s s i o n i i n a t m o s f e r a d a i m p i a n t i d i c o n v e r s i o n e d e l l ’ e n e r g i a • portata di combustibile mf: mf = P [MW]*1000 [kW/MW]/( * PCI [kJ/kg]) = 15,6 kg/s • il fattore di emissione specifico di CO2 riferito all'unità di energia elettrica prodotta (kg/MWh) fCO2 = Xm C * mf *(44/12 ) * 3600 /P = 1029 kg/MWh - la concentrazione di NO2 nei fumi di combustione in mg/Nm3: = 338 mg/Nm3                    kgf Nm GJ kJ g mg kgf kJ GJ g PCI V f X fs NOe NO 31000000 1000** 2 2

Lezione n.1

Lezione n.1

Recomendados

Más contenido relacionado

La actualidad más candente

La actualidad más candente(12)

Destacado

Destacado(17)

Similar a Lezione n.1

Similar a Lezione n.1(20)

Lezione n.1