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• Cogenerazione
• Biomasse
• Caldaie a griglia
• Modelli Predittivi
• CFD

La produzione di energia elettrica proveniente da fonti rinnovabili ed in particolare dalla biomassa tende ad essere effettuata in impianti di potenza inferiore ad 1 MWel, distribuiti sul territorio e collegati sulle reti di distribuzione, secondo il concetto di generazione distribuita. Una delle tecnologie sviluppate per la realizzazione di impianti di generazione di piccola taglia con l’utilizzo di biomasse si basa sulla conversione energetica di quest’ultima attraverso un ciclo EFMGT (Externally Fired Micro Gas Turbine). Tale sistema si basa su un ciclo Brayton ad aria calda realizzato tramite un gruppo turbo-compressore ad alta velocità, con combustione esterna effettuata in una caldaia a biomasse. Questa generalmente è di tipo a griglia; tale tecnologia permette di trattare un’ampia varietà di biomasse, anche umide, senza richiedere metodi complessi di manipolazione e preparazione del combustibile. Le caldaie a griglia necessitano tuttavia di ulteriori studi e sviluppi volti ad aumentarne l’efficienza, ridurre le emissioni e migliorare affidabilità e disponibilità. In particolar modo, all’interno del ciclo EFMGT, lo scambiatore di calore costituisce la sezione critica, soggetta a sforzi termici e problematiche di fouling lato fumi.
Il presente lavoro di tesi è stato svolto presso il Dipartimento di Ingegneria Civile e Industriale (DICI) dell’Università di Pisa in collaborazione con Enel Ingegneria e Ricerca S.p.A. e si colloca all’interno del progetto BioPower in Tuscany . Vi collaborano, oltre al DICI e ad Enel Ingegneria e Ricerca S.p.A, altri organismi di ricerca ed imprese toscane quali RJCSOFT s.r.l., ETA-Florence Energie Rinnovabili, TEA (Cooperativa Agroforestale), CRIBE (Centro di Ricerca Interuniversitario in Biomasse da Energia) ed IFRF (Fondazione Internazionale per la Ricerca sulla Combustione). Il progetto è finanziato nell’ambito del Bando Unico Ricerca e Sviluppo – anno 2012 della Regione Toscana e mira allo studio di scenari per un utilizzo integrato ed efficiente della biomassa all’interno del sistema energetico toscano. Le linee di ricerca si dividono a seconda della taglia degli impianti; per impianti piccoli si valuta la fattibilità di una rete di impianti cogenerativi a biomassa dislocati sul territorio regionale mentre per centrali termoelettriche su grande scala si valuta l’impatto della riconversione a biomassa. Per ognuna delle due filiere si valuta la sostenibilità economica, ambientale e sociale, evidenziando vantaggi e possibili sinergie.
In particolare, l’obiettivo della tesi è lo sviluppo di un modello predittivo termofluidodinamico della caldaia a griglia alimentata a biomassa di un impianto EFMGT installato presso l’area sperimentale Enel di Livorno, al fine di caratterizzarla ed individuare le zone più sollecitate termicamente.
La modellazione della caldaia richiede una preliminare analisi di tutto il ciclo EFMGT, la quale sarà effettuata tramite bilanci materiali ed energetici, integrati con un simulatore di processo.
La strategia adottata consiste nello sviluppo di un modello di fluidodinamica computazionale (CFD) della sezione di scambio termico della caldaia e al suo accoppiamento con un opportuno modello del letto di biomassa.
Particolare attenzione sarà volta proprio alla definizione di questo ultimo modello facendo riferimento sia ad approcci presenti in letteratura che ad approcci realizzati appositamente per il caso in esame.
La disponibilità di misure sperimentali, effettuate da IFRF ed Enel, sia delle variabili di processo che di temperature e specie chimiche in fiamma fornirà la base per la validazione ed eventuale ottimizzazione dei modelli stessi. Sarà inoltre discusso l’effetto dei modelli di chiusura sui risultati. Infine attenzione sarà posta anche alle capacità del modello di predire le emissioni inquinanti.