Rubrica: Automotive alternativo
Titolo o argomento: Da escrementi, rifiuti e scarti energia quasi pura da utilizzare
All’inizio di questa rubrica abbiamo visto le differenze tra gas naturale e biogas ed abbiamo analizzato i metodi di produzione ponendo particolare attenzione a quelli impiegati per il biogas. Ora, una volta ottenuto il gas, una volta operato il miglior filtraggio possibile dagli elementi contaminanti e una volta immagazzinato in appositi silos, è possibile utilizzarlo come combustibile su specifici motori a combustione interna studiati per l’abbinamento con un generatore elettrico al fine di produrre energia elettrica e/o calore.
La Doosan Infracore è un’azienda coreana rara nel suo genere, è infatti in grado di prendere motori di cilindrate considerevoli già presenti sul mercato e trasformarli in gruppi moto-generatori alimentabili a gas naturale operando opportune modifiche agli accessori motore, all’elettronica di controllo ed a parte delle componenti meccaniche coinvolte nel processo di combustione. Volendo è possibile anche l’alimentazione a biogas operando ulteriori modifiche. In questo caso viene esposto il curioso caso di un motore Daewoo ciclo Diesel 8 litri 6 cilindri in linea destinato ai mezzi pesanti e trasformato dalla Doosan in un moto-generatore ciclo Otto alimentato a gas.
Ciclo
Il motore che siamo andati a studiare è installato presso un impianto di depurazione urbano delle acque reflue. Il ciclo di produzione del biogas dalle acque reflue viene esposto in maniera chiara e sintetica nell’articolo specifico di questa rubrica “Motori a c.i. alim. a biogas: Principali cicli di produzione e utilizzo del biogas.“
Da notare che il ciclo parte prelevando gas metano dall’ordinaria rete di distribuzione al fine di alimentare le caldaie che permetteranno la digestione della frazione solida di refluo da destinare alla produzione di biogas. Una volta prodotto un volume sufficiente di biogas, questo viene suddiviso nella frazione che alimenterà il motore a combustione interna e la frazione che alimenterà le caldaie dedite alla digestione.
Moto-generatore a biogas Doosan Infracore
Specifiche motore
Motore 6 cilindri in linea, 4 tempi, ciclo Otto (canne riportate).
Alesaggio: 111 mm.
Corsa: 139 mm.
Cilindrata: 8071 cc.
Rapporto geometrico di compressione: 10,5:1.
Sovralimentazione mediante turbocompressore e intercooler aria/acqua.
Raffreddamento a liquido.
Alimentazione con miscela stechiometrica, iniezione indiretta.
Accensione comandata da una candela per cilindro.
Ordine d’accensione: 1-5-3-6-2-4.
Accensione: 13° prima del punto morto superiore.
Sistema di mantenimento del regime di rotazione costante al variare del carico.
Valvole per cilindro: 2 in testa.
Rotazione manovellismo: in senso antiorario guardando dal volano.
Massa motore: circa 750 kg a secco.
Prime power a 1500 giri/min: 128 kWm.
Standby power a 1500 giri/min: 141 kWm.
Prime power a 1800 giri/min: 150 kWm.
Standby power a 1800 giri/min: 165 kWm.
Specifiche generatore
Fasi: 3
kVA: 150 a 1500 giri/min
kVA: 180 a 1800 giri/min
Hz: 50/60
Cosphi: 0,8
Volt: 115 / 200 / 230 / 400
Ampere: 753 / 433 / 377 / 217
Massa generatore: 491 kg
IP: 21
Temperatura ambiente di lavoro: Max 40°C
Aspetti energetici
Consumi di carburante
I consumi sono espressi in Nm3/h ovvero in metri cubi normali all’ora. I valori fanno riferimento al gas naturale con contenuto di metano del 99% circa ma variano in misura tutto sommato trascurabile se viene impiegato biogas purificato con contenuto di metano del 95% circa.
25% del prime power a 1500 giri/min, ovvero erogando 32 kWm: 13,3 Nm3/h
50% del prime power a 1500 giri/min, ovvero erogando 64 kWm: 17,8 Nm3/h
75% del prime power a 1500 giri/min, ovvero erogando 96 kWm: 24,3 Nm3/h
100% del prime power a 1500 giri/min, ovvero erogando 128 kWm: 31,8 Nm3/h
25% del prime power a 1800 giri/min, ovvero erogando 37,5 kWm: 13,9 Nm3/h
50% del prime power a 1800 giri/min, ovvero erogando 75 kWm: 21,8 Nm3/h
75% del prime power a 1800 giri/min, ovvero erogando 112,5 kWm: 29,9 Nm3/h
100% del prime power a 1800 giri/min, ovvero erogando 150 kWm: 38,5 Nm3/h
Note sull’energia impiegata e prodotta
Per intenderci a 1500 giri/min questo motore, montato su un mezzo pesante, permette di percorrere 80 chilometri in un’ora. Questo dato ci servirà per capire successivamente l’equivalente in strada percorsa ricavato dalle ore effettive di funzionamento.
Erogando una potenza costante di 128 kWm, con il 100% del carico a 1500 giri/min, in un’ora viene impiegata un’energia pari a 128 kWh ottenuta dalla combustione di 31,8 Nm3 di gas naturale.
Considerato che 31,8 Nm3 di gas naturale (costituito dal 99% c.a. di metano) hanno una massa di c.a. 22,75 kg, ciò significa che la combustione di ogni chilogrammo di gas naturale genera in questo motore, con il 100% del carico a 1500 giri/min, un’energia fruibile all’albero di 5,62 kWh (l’energia dissipata in calore, attriti, rumore, vibrazioni, ecc. è già stata sottratta infatti l’energia prodotta dalla combustione di un chilogrammo di metano vale 14,8 kWh).
Considerato per l’appunto che 1 kg di metano sviluppa in seguito alla combustione 14,8 kWh di energia, significa che il motore, arrivando a quota 5,62 kWh, ha un rendimento del 38% (grazie al fatto che lavora sempre ad un regime costante ed ogni singolo dettaglio è ottimizzato affinché il motore esprima il meglio di sé in questa data condizione). Ricapitolando quindi:
La combustione di 1 kg di metano sviluppa 14,8 kWh di energia complessiva.
La combustione di 1 kg di metano nel motore analizzato genera 5,62 kWh fruibili all’albero.
Si ottengono 128 kWh fruibili all’albero bruciando 22,75 kg di metano a 1500 giri/min.
Si ottengono globalmente 336,7 kWh dalla combustione di 22,75 kg di metano.
Il rendimento complessivo del motore a c.i. è pari al 38%.
La potenza di 128 kWm è riferita al valore disponibile in uscita dall’albero motore a combustione interna quando il regime di rotazione è di 1500 giri/min ed il carico è al 100%. In realtà, nelle medesime condizioni, in uscita dal generatore elettrico accoppiato si ha una potenza di circa 109 kWe (se il rendimento della macchina elettrica è pari all’85% circa).
Pertanto per i consumi di gas si deve far riferimento alla potenza erogata dal motore a c.i. mentre per la vendita dell’energia elettrica prodotta si deve far riferimento alla potenza in uscita dal generatore elettrico.
Il gruppo moto-generatore analizzato in questo articolo viene tenuto in moto 20 ore al giorno, ciò significa che quotidianamente, nel suo funzionamento costante, produce 2180 kWh di energia elettrica (109 kWe x 20h) se impiegato al regime di 1500 giri/min con carico massimo.
Nel passaggio dall’utilizzo di gas naturale all’utilizzo di biogas tutto il conteggio va rieseguito nuovamente sulla base della resa energetica fornita dal biogas (diverso da caso a caso a seconda delle sostanze iniziali utilizzate per la digestione anaerobica, del livello di purificazione ottenuta e dei contaminanti rimasti) che comporta ovviamente diversi consumi, differenti produzioni di energia elettrica nonché differenti problematiche tecniche che vedremo nel prossimo articolo di questa rubrica.
Tecnica
Curiosità
Il motore originario è un Daewoo ciclo diesel destinato a mezzi pesanti e trasformato in motore ciclo otto a gas (da abbinare ad un generatore elettrico) dalla coreana Doosan Infracore. La trasformazione da ciclo Diesel a ciclo Otto si è operata in particolar modo inserendo le candele al posto degli iniettori e la ruota fonica al posto della pompa del gasolio.
Il motore è dotato di acceleratore elettronico ed una cabina di controllo che rileva ogni tipo di anomalia sia sul motore a combustione interna che sul generatore. Variazioni del regime di rotazione nell’intorno dei 50 giri/min generano un segnale di errore (il motore deve girare regolarmente in maniera costante ed operando nel range di temperature previste).
Un sistema di preriscaldamento impedisce al motore di essere avviato se prima non è stato scaldato il fluido refrigerante. Ciò permette di controllare la combustione ed i prodotti che ne derivano.
Utilizzo medio del moto-generatore pari a 20h/giorno.
128 kWm potenza meccanica all’albero a 1500 giri/min con il 100% del carico.
109 kWe potenza elettrica fornita dal generatore a 1500 giri/min con il 100% del carico.
Picchi di energia prodotta in un giorno pari a 2180 kWh.
Picchi di consumo gas: max 455 kg.
Energia prodotta mediamente in un giorno: compresa tra 1150-1730 kWh.
Massa di gas consumato mediamente in un giorno: compresa tra 255-350 kg.
Ricapitolando quindi:
Intervallo di tempo considerato pari a 20h.
Regime di rotazione considerato pari a 1500 giri/min.
Carico considerato pari al 100%.
Il consumo di gas da parte del motore a c.i. corrisponde a: 455 kg.
L’energia sviluppata alla combustione da una tale massa di gas vale: 6734 kWh
Il rendimento del motore a c.i. è: 38%
Il rendimento del generatore è: 85%
Il rendimento complessivo del moto-generatore è: 0,38 x 0,85 = 0,32 (32%)
L’energia resa disponibile dal moto-generatore in 20h vale: 2180 kWh
Dal confronto tra l’energia sviluppata in seguito alla combustione della massa di gas consumata e quella fruibile si ottiene la conferma che il rendimento del moto generatore è:
6734 kWh : 100% = 2180 kWh : x, dove l’incognita risulta nuovamente (ed ovviamente) x=32%.
Manutenzione e revisioni
Il cambio dell’olio motore e delle candele viene effettuato una volta ogni settimana anche se l’intervallo può essere esteso, al limite, a 10 giorni.
Viene impiegato olio lubrificante speciale appositamente additivato per offrire un elevato grado di affidabilità anche in seguito alla combustione di biogas con tracce di contaminanti.
Analisi chimiche settimanali dei prodotti della combustione e dell’olio motore sono importanti per conoscere l’andamento della combustione ed eventuali anomalie nel processo di filtraggio del biogas.
Ogni 20.000 ore di funzionamento (equivalenti ad oltre un milione e mezzo di chilometri) il motore viene completamente smontato, revisionato, rettificato e controllato in ogni sua parte. Si procede poi al riassemblaggio ed alla messa in moto che può richiedere anche un’ora prima che tutti i parametri siano a posto e la centrale di controllo dia l’ok per l’avvio.
Ogni due cambi d’olio, ovvero circa ogni 3 settimane, si effettua il registro delle valvole.
Problematiche tecniche
Maggiori informazioni disponibili su richiesta
Al primo utilizzo alimentando il motore a biogas anziché a gas naturale, si sono manifestati seri problemi di affidabilità e rotture. Dopo un funzionamento di sole 2000 ore (equivalenti a circa 160.000 km) gli organi dotati di boccole si sono degradati in maniera anomala. Il problema è stato completamente studiato e risolto.
Al secondo utilizzo, una volta effettuate le dovute ricerche sulle cause, e risolti tutti i problemi, il motore ha lavorato per ben 22000 ore (equivalenti a circa 1.760.000 km) senza guasti né problemi di sorta.
Da notare l’erosione marcata della battuta delle valvole in seguito alla combustione del gas, leggermente minore quella delle sedi e delle guide delle valvole.
Per quanto concerne i vantaggi e gli svantaggi dell’utilizzo del gas naturale come carburante puoi leggere il relativo articolo di questa rubrica “Motori a c.i. alim. a biogas: Pro e Contro dell’alimentazione a metano” tenendo conto del fatto che nel passaggio dall’uso del gas naturale al biogas alcune problematiche si aggravano e richiedono opportuni adeguamenti.
Maggiori informazioni disponibili su richiesta
Aspetti economici
Vantaggio economico
L’azienda in questione produce 2180 kWh giornalieri di energia elettrica se il motore è impiegato al regime costante di 1500 giri/min con il carico massimo (20h/24 di funzionamento). Dell’energia prodotta 1000 kWh vengono messi in rete (circa 50 kWh ogni ora), e quindi venduti, e circa 1180 kWh vengono utilizzati per alimentare i propri impianti. La società elettrica paga circa 0,3 Euro per ogni kWh prodotto e messo in rete. Moltiplicando per i 1000 kWh (ovvero 1 MWh) messi in rete giornalmente si ottiene un’entrata lorda di 300,00 Euro al dì, più il risparmio offerto dall’energia autoprodotta ed utilizzata per alimentare gli impianti aziendali. In realtà l’energia prodotta giornalmente è sempre minore dei valori sopra citati al fine di tenere il motore in sicurezza e garantire la massima affidabilità e durata nel tempo.
Il prezzo di acquisto dell’energia da parte delle società elettriche (circa 300,00 Euro al MWh) fa riferimento a tariffe che variano in base alla potenza di picco dell’impianto ed alla fonte dalla quale si ricava energia.
Ad oggi l’impianto in questione, tanto per fare un esempio, ha reso al lordo circa 380.000 Euro producendo oltre 1,2 milioni di kWh. Cifra dalla quale devono essere sottratte le spese di manutenzione settimanali, i ricambi, la manutenzione dell’impianto delle acque reflue, le tasse, gli stipendi degli operatori che vi lavorano, ecc.
Impegno economico
Costi sostenuti per installazione impianto.
Costi sostenuti per effettuare le ricerche e la risoluzione dei problemi.
Costi sostenuti per il corretto adeguamento del motore al funzionamento a biogas.
Il bilancio economico è nettamente a favore dell’utilizzo del biogas (o in alternativa del gas naturale) per la produzione di energia elettrica e/o calore mediante moto-generatori come quello preso in esame in questo articolo o, perché no, mediante turbine a gas se desidera andare oltre. Diversi sono i benefici su un mezzo di trasporto come un autoveicolo nel quale il reale risparmio, al termine della vita utile del mezzo, dipende fortemente da una moltitudine di fattori analizzati nel relativo articolo di questa rubrica “Motori a c.i. alim. a biogas: Pro e Contro della alimentazione a metano“.
Note
kWm: Esprime la potenza meccanica che il motore a combustione interna fornisce all’albero quando è a regime nominale.
kWe: Esprime la potenza elettrica che eroga il generatore quando il relativo motore a combustione interna è a regime nominale.
kVA: Massima potenza apparente che l’impianto può erogare verso la rete elettrica interna o esterna al sito di collocamento dell’impianto.
Prime power: è la massima potenza disponibile a carichi variabili per un numero di ore illimitato. La potenza media prelevabile durante un periodo di 24 h di funzionamento non deve superare l’80% della prime power dichiarata tra gli intervalli di manutenzione prescritti ed alle condizioni ambientali standard. E’ ammesso un sovraccarico del 10% per 1 ora ogni 12 ore di funzionamento.
Standby power: è la potenza massima disponibile per un periodo di 500 ore/anno con un fattore di carico medio del 90% della potenza standby dichiarata. Non è ammesso alcun sovraccarico per questo utilizzo.
scm3 significa metro cubo standard a 1,01325 bar a 15°C.
Nm3 significa metro cubo normale a 1,01325 bar a 0°C.
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