Studio di una microturbina a gas per applicazioni cogenerative e impianti ibridi
Creators: name: Pontecorvo, Antonino
Publisher: name: Università degli Studi di Napoli Federico II
Year: 2006

description: Questo lavoro ha origine da un progetto di ricerca in collaborazione tra l’Ansaldo Ricerche e il Dipartimento di Ingegneria Meccanica per l’Energetica (D.I.M.E.) finalizzato all’acquisizione di nuove conoscenze indispensabili per lo sviluppo di un sistema basato sull’impiego di una Micro Turbina a Gas, della potenza elettrica di 100 kW, per applicazioni nel settore della produzione di energia e cogenerazione distribuita. Il progetto originario – basato sullo studio di alcuni componenti essenziali per il sistema quali la camera di combustione e il gruppo di trasmissione del moto al generatore elettrico – ha infatti dato spunto alle attività di ricerca sviluppate in questi ultimi anni presso il D.I.M.E.. 
Il crescente interesse verso la produzione di energia tramite sistemi ibridi di taglia medio-piccola, basati sull’integrazione di celle a combustibile e MTG(*), ha poi sollecitato ad analizzare la reale possibilità di integrare un sistema di celle a combustibile con una MTG preesistente. Tale tipo di impianto è in grado di raggiungere rendimenti elettrici paragonabili a quelli di impianti di grossa taglia, portando notevoli benefici anche dal punto di vista dell’impatto ambientale. Non a caso, infatti, molti ricercatori si stanno occupando di studiare tale tipo di impianto per ottimizzarne l’efficienza e il tipo di applicazione più appropriata.
Pertanto nella prima parte ci si è occupati di definire lo stato dell’arte delle micro turbine a gas, facendo cenno anche a quelle di taglia piccolissima, per ciò che concerne le prestazioni dei vari componenti, i loro limiti e gli sviluppi futuri. 
Successivamente si è passati allo studio della MTG da 100 kW elettrici, analizzata sotto vari aspetti, in quanto la possibilità di raggiungere un livello competitivo delle prestazioni con gli altri sistemi di conversione di energia della stessa taglia dipende non solo dall’ottimizzazione del ciclo della turbina a gas ma anche dalla sua flessibilità in termini di adattamento a differenti risorse energetiche disponibili e alle variazioni di richiesta dell’utenza.
In primo luogo, la necessità di ottimizzare lo sfruttamento delle risorse energetiche e la riduzione delle emissioni di sostanze inquinanti sollecitano la ricerca di nuove soluzioni orientate sia ai classici metodi di risparmio energetico applicate a macchine termiche di taglia non convenzionale, sia all’incremento dello sfruttamento energetico delle biomasse e dei residui con contenuto energetico rilevante. Pertanto si analizza la possibilità di alimentare la Microturbina a gas, oltre che con combustibili convenzionali (Gas Naturale), con combustibili derivati da processi di gassificazione o di pirolisi delle biomasse o di rifiuti solidi urbani.
Inoltre è posta particolare attenzione alla possibilità di recupero energetico dai gas di scarico della Microturbina per i classici scopi cogenerativi. In particolare si sono analizzate particolari soluzioni basate su un ciclo a rigenerazione variabile per ottimizzare l’adattamento della Microturbina a gas a diverse situazioni di carico elettrico e termico.
La metodologia è basata sul presupposto che lo studio del semplice ciclo termodinamico, seppure di fondamentale interesse concettuale, mira a valutare le prospettive in termini di rendimento e potenza specifica, non risultando  peraltro sempre altrettanto chiara l’effettiva realizzabilità della soluzione tecnico-impiantistica.
Pertanto dopo avere valutato il ciclo termodinamico (in modo accurato per quanto concerne le proprietà dei fluidi evolventi, le composizioni delle specie, la previsione preliminare degli ossidi d’azoto termici) si procede ad un’analisi più dettagliata che coinvolge le caratteristiche operative delle turbomacchine presenti e il loro accoppiamento fluidodinamico.
Tale analisi consente quindi di superare i limiti del precedente approccio termodinamico, in quanto associa ad ogni situazione operativa della macchina le effettive condizioni di portate attraverso i componenti e quindi note le mappe caratteristiche di compressori e turbine, i reali rapporti di compressione ed espansione con i corrispondenti rendimenti interni.
Il metodo è di particolare utilità sia per la previsione dell’intero dominio operativo della macchina, sia per una stima più realistica dei risultati derivanti dall’adozione di nuove soluzioni impiantistiche o dall’introduzione di differenti combustibili.
Nella seconda parte di questo lavoro di tesi, dopo alcuni cenni sulle celle a combustibile e sui sistemi ibridi, viene presentato un modello di calcolo ed i risultati per celle a combustibile ad ossidi solidi e MTG che sia in grado di andare a verificare le prestazioni e le potenzialità di un sistema SOFC-MGT. In particolare, si è voluto investigare su come integrare un sistema di conversione diretta basato su celle a combustibile ad ossidi solidi (SOFC) con la MTG di circa 100 kW elettrici ampiamente analizzata in precedenza.
A tale scopo, quindi, è stato studiato un sistema di generazione di potenza costituito da una MGT ed una SOFC caratterizzata da una geometria tubolare con reforming interno ed alimentata a metano. E’ stata, quindi, effettuata un’ampia analisi di sensibilità ai parametri operativi da cui dipendono le prestazioni del sistema, come il fattore di utilizzazione del combustibile e la densità di corrente, avendo fissato le caratteristiche dell’impianto con turbina a gas e, almeno in una prima caratterizzazione del sistema, la superficie della cella a combustibile. 
Dopo questa prima analisi, di tipo termodinamico che ha permesso di caratterizzare il sistema ibrido ed individuare un punto nominale dell’impianto, si è passati ad analizzare il funzionamento in fuori progetto del sistema ibrido. Tale analisi mira a verificare se, con  l’introduzione di uno stack di celle a combustibile, sia ancora possibile preservare un efficiente comportamento dei componenti della MTG, in un ampio campo di condizioni operative che comportano il funzionamento in fuori-progetto dei vari componenti. In particolare le variazioni più grandi riguardano il combustore a causa della notevole variazione della composizione dei reagenti. 
Per tale ragione allo scopo di una completa verifica delle possibilità di integrazione della micro-turbina a gas con il sistema di celle a combustibile, lo studio viene completato dall’analisi del processo nella camera di combustione, nella sua originaria configurazione ma alimentata dai gas combustibili e dagli ossidanti residui provenienti dalla cella.
Le analisi succitate sono state realizzate attraverso lo sviluppo di codici di calcolo disponibili presso il D.I.M.E e opportunamente adattate allo scopo di questo lavoro.