Impianti per la GD: motori a combustione interna

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SAGETER - impianto cogenerazione Rovato.JPG
di Dario Rossi

I motori a combustione interna vengono utilizzati ormai da oltre un secolo e hanno avuto successo soprattutto nelle applicazioni in cui è richiesta una flessibilità nella potenza di uscita.

Questo tipo di motore converte, all’interno della camera di combustione, l'energia chimica posseduta da una miscela aria-combustibile in lavoro meccanico.

La miscela consiste in un combustibile che può essere benzina, gasolio, GPL e altri derivati del petrolio: in particolare, per i motori Diesel (combustione a pressione costante) si utilizzano combustibili liquidi come gasolio, petrolio e nafte, mentre i motori Otto (combustione a volume costante) possono utilizzare diversi combustibili liquidi e gassosi come benzina, metanolo, etanolo, propano, gas naturale, idrogeno.

La differenza sostanziale tra i combustibili utilizzati dai due tipi di motori sta nel comportamento all’accensione: per i Diesel si richiede potere detonante, cioè la capacità di accendersi per compressione, mentre per gli Otto serve potere antidetonante, cioè la capacità di non accendersi fino a quando non scocca la scintilla.

L’energia meccanica dell’albero motore può alimentare un generatore che produce energia elettrica.

Questa tipologia di generatori può  erogare potenze comprese tra 1kW e qualche decina di MW, mentre è poco utilizzata per tagli inferiori a 500kW ( micro cogenerazione), a causa della necessità di una frequente manutenzione e dei problemi legati alle emissioni in atmosfera.

Tipicamente un impianto di generazione elettrica e termica (cogenerazioe) basato sui motori a combustione interna è composto principalmente dai seguenti elementi:

• Sistema di accumulo ed eventuale trattamento del combustibile;

• Motore a combustione interna;

• Sistema di controllo delle emissioni inquinanti;

• Sistema di recupero del calore (cogenerazione) o di dissipazione dello stesso (radiatore);

• Generatore, con i suoi sistemi elettrici ausiliari.

Turbine a gas e microturbine

Il principio di funzionamento di queste macchine sfrutta la rotazione di una turbina, spinta dalla combustione di gas, per far funzionare un generatore elettrico.

La turbina a gas di tipo industriale ha un range di 5-10 MW ed è alimentata da una miscela di gas ed aria.

Nella configurazione più semplice, una turbina a gas è costituita da un compressore, da una camera di combustione e  dalla turbina vera e propria.

L’area viene aspirata, compressa ed inviata alla camera di combustione, dove, miscelandosi col combustibile inettato, dà luogo alla formazione di gas ad alta temperatura.

I prodotti gassosi della combustione, con elevata temperatura e pressione, si espandono nella turbina stessa, trasformando energia termica in lavoro meccanico utile a produrre energia elettrica, mediante un generatore sincrono o asincrono.

Le turbine a gas raggiungono efficienze tra il 30 e il 40%, insieme alla possibilità di recuperare calore ad alta temperatura dai gas di scarico (in media superiori a 500 °C, arrivando in alcuni casi fino a circa 600 °C). Il calore recuperato può essere sfruttato per produrre energia termica utile per un processo industriale o per usi civili negli impianti di cogenerazione, innalzando il rendimento complessivo dell’impianto a valori di 75-80%.

Una limitazione delle turbine a gas è legata alle necessità di operare con combustibili puliti, come il gas naturale, che sono relativamente costosi.

Le microturbine a gas sono particolari turbine il cui range di potenza elettrica è di circa 25-500 kW e adottano soluzioni tecnologiche non sofisticate. Esse  sono particolarmente adeguate per la generazione (e cogenerazione) distribuita grazie alla loro flessibilità nei sistemi di connessione, alla possibilità di essere collocati in parallelo, alla capacità di fornire energia sicura ovunque vi sia richiesta, sia nel settore industriale che residenziale.

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