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I LABORATORI DEL CENTRO DI RICERCA SULLE BIOMASSE DELL’UNIVERSITÀ DEGLI STUDI DI PERUGIA Il Laboratorio TERES e impianto pilota CIRIAF-CRB (responsabile prof. Franco Cotana) è costituito da due sezioni. Laboratorio TERES (Tecnologie per le energie rinnovabili, l'efficienza energetica e lo sviluppo sostenibile) . Il Laboratorio TERES, un vero e proprio villaggio della sostenibilità, è sito presso la sede di S. Apollinare di Marsciano (PG) e comprende le seguenti facility o attrezzature: . Impianto di trigenerazione per la produzione di energia elettrica, termica e frigorifera (100 kWe + 150 kWt+ 70 kWf) alimentato ad olio vegetale. A monte della sezione energetica cogenerativa, l'impianto prevede l'intera filiera di produzione dell'olio da oleaginose. dopo la pesatura e lo scarico in un vano temporaneo da 2 m3, il seme viene caricato da un sistema a tazze verso due silos di stoccaggio da 90 m3 l'uno. I silos sono dotati di un sistema di asciugatura del seme. Per caduta il seme passa per il vibro-vaglio con vagli di passante variabile (a seconda del seme) che consente la separazione della pula ed altre particelle più grossolane o più fine del seme. Il seme passa verso l'impianto di spremitura meccanica di capacità 300 kg/h di seme e produce circa 100 kg/h di olio e 200 kg/h di panello di spremitura. L'olio viene filtrato e, dopo il transito per dei serbatoi di macchina, viene caricato nei serbatoi da 20 m3 l'uno, integrati, come i silos dei semi, dentro l'edificio ex essiccatoio. il panello, estratto con una coclea, a causa del suo elevato contenuto di olio (5%) viene avviato alle aziende mangimistiche per la zootecnia. Il motore cogeneratore produce energia elettrica immessa in rete (scambio sul posto) mentre, dal circuito di raffreddamento e dei fumi viene recuperato il calore per alimentare il sistema di riscaldamento dell'ex scuderia e della rocca. In estate il calore viene deviato ad una macchina frigorifera ad assorbimento acqua-bromuro di litio, dotata di torre evaporativa esterna ed accumulo da 2000 litri. Impianto a minibiogas da circa 30 kWe e 50 kWt. L'impianto di mini biogas è dotato di una sezione di fermentazione anaerobica bistadio che è costituita da un idrolizzatore e due digestori ciascuno da 7 m3. L'idrolizzatore viene riempito con le acque nere della fognatura della rocca, deviate grazie ad un bypass. Vi è anche una bocca di accesso per inserire un biotrituratore per gli sfalci di manutenzione del verde, il panello di spremitura delle oleaginose ed il rifiuto organico proveniente dalla preparazione dei pasti della mensa. I tre reattori sono stati interrati al fine di ridurre l'impatto visivo ed agevolare il processo autorizzativo. Interrandoli, sono stati coibentati nella superficie laterale e nel solaio di appoggio. Il digestore primario e quello secondario sono dotati di un sistema di riscaldamento interno (serpentina di 90 m di PEXA) per il raggiungimento delle condizioni di mesofilia (38°C) oltre che di tutta la sensoristica necessaria per l'automazione dell'impianto: misuratore di livello minimo e massimo, misuratore di temperatura, misurazione di pressione del biogas che si forma. La sezione biogas è provvista di sistema di pompaggio, contabilizzazione, deumidificazione, stoccaggio tramite gasometro. Il digestato viene estratto dal digestore secondario e cade in una vasca di maturazione aerobica, per poter essere poi sparso per i campi come ammendante. Edificio storico (ex scuderia) nel complesso della Rocca Benedettina di S. Apollinare, primo al mondo certificato LEED HB Leadership in Energy and Environmental Design - Heritage Building, sede di uffici ed attrezzature di laboratorio. L'edificio è stato restaurato con fondi ministeriali ottenuti dal CRB. Per gli adeguamenti alla normativa sismica, gli interventi principali sono stati i seguenti: iniezioni di cemento e calce su tutte le murature in pietra; "cuci-scuci" limitatamente alle zone lesionate; fasciature perimetrali in fibra di carbonio e di catene dello stesso materiale in corrispondenza di ciascun orizzontamento; perforazioni armate a cantonale, a martello o incrociate, in corrispondenza di tutte le intersezioni dei pannelli murari. Le opere non strutturali e di finitura, volte a garantire elevata efficienza energetica, si possono così riassumere: intonaco esterno a base di calce e sabbia; sistema a cappotto esterno con lastra in sughero biondo; pavimentazioni in cotto con superficie pre-levigata a piano terra, a piano primo e per il rivestimento della scala, ad eccezione dell'ingresso a piano terra dove sono state ripristinate le originali lastre in pietra; pavimenti in piastrelle in monocottura per i locali destinati ad accogliere i servizi igienici; pavimenti in clinker nei locali del piano seminterrato; pavimenti in cotto grezzo per il marciapiede esterno; soglie realizzate in pietra serena, ad eccezione di alcune che sono state realizzate in pianelle in cotto; tinteggiature a tempera; infissi in legno massello con componenti trasparenti in vetrocamera basso-emissivo. L'edificio è dotato di tecnologie attive per l'efficientamento energetico, quali VMC - Ventilazione Meccanica Controllata ed impianto a pavimento per la climatizzazione estiva ed invernale. Sono previste attività di controllo del benessere termoigrometrico ed attività di misurazione in continuo dei parametri indoor quali temperatura ed umidità dell'aria climatizzata. Laboratorio Impianti pilota Il Laboratorio impianti pilota è sito presso la sede principale CRB (Polo di Ingegneria) e comprende le seguenti attrezzature: Impianto di gassificazione: l'impianto di gassificazione è composto da un reattore down draft, un ciclone depolveratore, due reattori per il cracking termico e catalitico del tar, un Venturi-scrubber per il lavaggio ad umido del gas ed una soffiante per il mantenimento in depressione dell'intera linea. Il gas in uscita dalla soffiante può essere inviato ad un motore Lombardini, al camino o alternativamente, attraverso la linea di campionamento conforme alla normativa CEN/TS 15439, ad una cella SOFC (Solid Oxide Fuel Cell). La tramoggia di carico della biomassa è di tipo batch ed è caratterizzata da un diametro pari a 300 mm ed un'altezza di 445 mm; considerando la densità della biomassa cippata, circa pari a 320 kg/m3, ne consegue una capacità del serbatoio pari a 10 kg di biomassa che corrisponde, in sede sperimentale, ad un carico all'ora. All'interno del reattore, poco al di sopra della sezione di gola, sono presenti quattro fori per l'ingresso dell'aria. Il corpo del reattore è stato realizzato in cemento refrattario CALDE CAST M30 ad alta densità (2,34 g/cm3) e la sua forma, intesa come "negativo", è stata creata attraverso l'uso di tubi commerciali di teflon e di tubi di rame per la realizzazione dei fori di ingresso dell'aria e delle termocoppie e di uscita del gas. La zona di ossidazione ovvero la gola del reattore è stata invece plasmata a partire da due cilindri pieni di teflon successivamente torniti secondo le specifiche individuate. Il cilindro esterno, costituente il corpo del reattore, la tramoggia di carico e il serbatoio per la raccolta delle ceneri sono stati realizzati con ferro C30; l'intercapedine tra il cilindro esterno e il refrattario è stata riempita con fibra ceramica Sibral. Lo skid di supporto del reattore è stato realizzato utilizzando profilati commerciali a sezione quadrata in acciaio (4 cm x 4 cm) di spessore pari a 2 mm. La griglia di appoggio per la collocazione fisica della biomassa è stata realizzata con una rete di acciaio a maglia quadrata disposta su tre strati per diminuire le dimensioni originarie dei fori in modo tale da poter usare anche biomassa a pezzatura fine. L'inserimento della griglia è stato previsto in corrispondenza della sezione inferiore del reattore; tre piedini flessibili consentono il suo appoggio in corrispondenza del lato interno della flangia costituente la base del reattore. Il ciclone depolveratore è stato realizzato in acciaio inox di spessore pari a 2 mm. In corrispondenza della sezione inferiore un tappo a vite consente la rimozione delle particelle separate dal gas di sintesi prodotto dal processo di gassificazione. Il tar cracker è costituito da due reattori in acciaio inox collegati tra loro in serie e all'interno dei quali viene utilizzato un materiale catalitico per il cracking del tar. I reattori sono riscaldati a mezzo di resistenze elettriche controllate da un PID; la temperatura interna è misurata tramite due termocoppie inserite in corrispondenza delle flange superiori. Il sistema di lavaggio è costituito da un cilindro verticale in acciaio inox al cui interno si verifica il processo di lavaggio. Il gas depurato viene convogliato dalla soffiante attraverso un tubo posto nella parte superiore del cilindro dopo essere passato attraverso un demister. Per il controllo dell'impianto è stato realizzato un quadro elettrico di comando (PLC) che, oltre a contenere i vari componenti elettrici quali relè ed interruttori, è dotato di indicatori che riportano i segnali provenienti dai sensori sul campo, fondamentali per la regolazione ed il controllo. Impianto Letto Fluido: il reattore a letto fluido, è stato progettato per la combustione, o eventualmente la gassificazione, di biomasse residuali quali sansa di olive esausta o deiezioni di polli da allevamento ("pollina"). Può tuttavia accettare varie tipologie di biomassa purché adeguatamente triturata. La camera di combustione è integrata nel macchinario che si compone di varie parti: sistema di alimentazione dell'aria primaria e secondaria, batteria di resistenze e bruciatore a metano per la fase di accensione, sistema di alimentazione del combustibile (comprendente serbatoio e meccanismo di movimentazione), ciclone per l'eliminazione di gran parte del particolato presente nei fumi, sensori e sistema di acquisizione per il monitoraggio durante il funzionamento. Il serbatoio di carico del combustibile è costituito da una tramoggia prismatica a base quadrata e da una camera per il carico del combustibile. La camera di carico è separata dal serbatoio vero e proprio attraverso due saracinesche manuali che consentono le operazioni di carico del combustibile in condizioni di sicurezza sia per l'impedito avvicinamento agli organi meccanici in movimento e con eventuali fumi. Nel serbatoio è presente una coppia di mescolatori mossi da un motoriduttore da 0.75 kW. La coclea che trasporta il combustibile dal serbatoio alla camera di combustione è invece trascinata da un motoriduttore da 1.1 kW. La camera di combustione è progettata per accogliere sabbie silicee di granulometria compresa tra 0.70 mm e 3 mm. La temperatura di fusione della sabbia impiegata deve essere superiore a 1.200 °C. La camera di combustione ha diametro massimo pari a 300 mm ed è circondata da uno strato di refrattario di spessore variabile tra i 410 mm della base e i 300 della parte superiore. L'alimentazione dell'aria primaria avviene dal basso attraverso una piastra forata (contenete 180 fori) avente uno spessore di 8 mm mentre i fori si affacciano sul letto di sabbia con un diametro di 2 mm. L'aria primaria viene fornita da una soffiante da 3 kW; per il letto fluido l'aria primaria oltre a dover garantire la combustione del carbonio fisso è necessaria anche per la fluidizzazione del letto di sabbia. L'aria secondaria, necessaria per ossidare le sostanze volatili, può essere eliminata del tutto, agendo manualmente su un'apposita valvola, utilizzando in questo modo il letto fluido come gassificatore. Non essendo collegata ad un inverter, tale ventilatore non consente una parzializzazione dell'aria secondaria. L'aria primaria e secondaria vengono preriscaldate attraverso il recupero di calore dai fumi di combustione. Quando i fumi escono dalla camera di combustione, entrano in un ciclone che ha lo scopo di eliminare il particolato ancora in sospensione; a valle del ciclone è presente un ventilatore da 2,2 kW il cui scopo è quello di estrarre i fumi dalla camera di combustione e vincere la perdita di carico rappresentata dal ciclone. La macchina ha in oltre un serbatoio per la raccolta delle ceneri in uscita dal ciclone della capacità di 5 litri. Il processo viene gestito attraverso un PLC. Impianto combustore/gassificatore a biomasse: l'impianto a biomasse è composto da un sistema di stoccaggio ed estrazione della biomassa per il carico al gassificatore avente un volume tale da garantire l'autonomia dell'impianto termico per un periodo di tempo stabilito, di una tramoggia a rastrelli mobili collegata ad un sistema di scarico mediante coclea. Il sistema di stoccaggio e carico della biomassa è direttamente collegato al bruciatore avente temperatura ingresso aria in camera di combustione 300 °C potenza termica pari a circa 1000 kW, rivestimento interno in materiale refrattario, ventilatori per ossigenatore primario e secondario; rastrello mobile automatico per pulizia ceneri. La sezione di trattamento dei fumi è composta da un sistema di purificazione costituito da ciclone depolveratore, da un sistema di aspirazione fumi, posto a valle del ciclone, con girante a pale piatte e motore di alimentazione autoraffreddante; da un sistema di controllo fumi, con rilevamento temperatura e quantità di ossigeno mediante sonda lambda. L'impianto di conversione energetica delle biomasse, interfacciato attraverso scambiatore di calore con la turbina è inoltre dotato di un sistema di piping, tubazioni esterne di presa dell'aria, opportunamente dotate di un sistema di filtrazione installato sulla sezione di presa dell'aria esterna ed allestita sul tetto. Turbina a Gas: la microturbina a gas Turbec T 100 è un sistema per la produzione di energia elettrica da combustibili gassosi. La macchina è principalmente composta da un compressore centrifugo, il cui rapporto manometrico di compressione è pari a 4.5; un rigeneratore di calore, per preriscaldare l'aria in uscita dal compressore utilizzando l'energia termica dei fumi in uscita dalla turbina; una camera di combustione tubolare di tipo Lean pre-mix dove, bruciando il combustibile, si incrementa la temperatura del fluido evolvente fino a 950°C; una turbina radiale centripeta, che espandendo i fumi fino alla pressione atmosferica li raffredda fino a circa 650°C ricavandone lavoro meccanico, utilizzato per azionare il compressore ed il generatore elettrico; il generatore elettrico a magneti permanenti, sospeso da cuscinetti, ruota ad alta velocità producendo elettricità ad alta frequenza che viene poi raddrizzata e convertita alla tensione e frequenza della rete elettrica. Il gruppo compressore-turbina-generatore ruota a 70000rpm producendo fino a 100kWe; il rendimento della macchina alla massima potenza è pari al 30% e si mantiene pressoché costante diminuendo la potenza fino a circa 77kW; a 50kW il rendimento scende al 28%. La macchina produce inoltre circa 2900 kg/h di fumi a 270°C la cui energia termica può essere recuperata per scopi cogenerativi. Autocarro Unimog: Il Centro Ricerca Biomasse è dotato di autocarro gommato marca Mercedes modello U 300, fornito di cassone ribaltabile, gru telescopica con telecomando, presa di potenza e braccio idraulico con testa trituratrice. L'autocarro dispone altresì di sistema di trazione integrale, marce ridotte e blocco dei differenziali anteriore, centrale e posteriore. La notevole versatilità permette l'impiego sia per il trasporto di impianti pilota e attrezzature delicate di misura, da impiegare in sito per monitoraggio in continuo, sia per la raccolta delle biomasse arboree ed erbacee. In aggiunta agli utilizzi di routine, infatti il mezzo è stato adattato alla raccolta di biomasse situate su alvei fluviali e pertinenze stradali. Tale adeguamento è stato realizzato accoppiando una testata trituratrice, sovra menzionata, agli attacchi idraulici. Tale dispositivo permette di effettuare il taglio della pianta alla base del tronco e di cipparla quindi, recuperando il materiale triturato, che viene convogliato per mezzo di un tubo flessibile nel cassone dell'automezzo. Il cippato così impiegato verrà di seguito scaricato mediante il ribaltamento del cassone e, previo stoccaggio, sarà pronto per la valorizzazione energetica in caldaie a biomassa o in impianti di cogenerazione con tecnologia di gassificazione o pirolisi.