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„Technologia per motori a gas per gas da
legna ed esperienze da impianti realizzati“
B.T.S Syngas 25.01.2013
Montichiari
Dr. Günther Herdin
30.01.2013
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Efficienza di varie tecnologie
Efficienza del carburanteel.+term.
Processo ORC
4.5 MW FP
Processo a vapore (turbina)
5.2 MW FP
Efficienza elettrica netta [%]
Gassificazione
con motore a gas
2-8 MW FP
source: EVN; Jenbacher; PGES
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Efficienza biomassa – Centrale termica
1 MWel.
5 MWel.
20 MWel.
Modo cogen.
(turbina a contropressione)
Efficienza carbur.
Modo cogen.
Impianto a
condensa
Fonte: Fichtner Studie 4/2002
[%]
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Principi della gassificazione
Fonte: agnion Technologies
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Influenza dell‘umidità della biomassa sull‘efficienza elettrica
Fonte: reNet Güssing
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Stato dell’arte della tecnologia di gassificazione
� Gassificazione diretta (autotermica) : (Gassificazione tradizionale)� Rilascio di calore (combustione parziale) e
gassificazione in un reattore
� Diluizione del singas prodotto tramite gas di scarico
della combustione parziale
� Singas con potere calorifico basso
� La produzione di SNG (Synthetic Natural Gas) a basso costo non è possibile
� Su misura per ogni progetto
� Gassificazione indiretta (allotermica): (Agnion Heat Pipe Reactor)� Reattore separato per rilascio di calore
(camera di combustione) ereattore di gassificazione (reformer)
� Gassificazione con vapore (steam reforming)
� Singas non diluito
� Rapporto H2/CO idoneo per produzione SNG
� Prodotto a bassissimo costo
6
Gassificazione
e rilascio di calore
in reattori separati
Gassificazione
e rilascio di calore
in reattori separati
Fonte: agnion Technologies
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Confronto della qualità del singas autotermico
con l‘esempio aria/allotermico Heatpipe Reform
Composizione del gas [%]
CH4
Beneficio per l‘efficienza del motore ~ 1,5%
Fonte: agnion Technologies
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Composizione di vari gas di pirolisi
Volume [%]
Agnion HPR 2SV Harboore Civitas Nova Prüfling
Fonte: GEJenbacher/agnion
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Motore a otto a gas
valvola
aria
gas
motore
turbina
intercoolercompressore
scatola di accensione
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Motore con accensione Diesel Pilot
(valvola)
aria
regolatore portata
motore
turbina
intercoolercompressore
pompa
Iniez.
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Efficienza netta dei vari concetti in relazione al
contenuto energetico di gas pirolitico[%]
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Confronto di vari concetti di gassificazione
Fonte: reNet, Solenia, Wilcox Babcock, Agnion Technologies
[%]
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Microturbine – atm. Gasification Issue Compr. Power
Relation Power needs for Pressure and Volumevolume [m³/min]
Fonte: Ingersol Rand Sierra Product Line
150 kW
132 kW
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Tecnologia motori a gas MPI• Premessa: Carica di pressione del singas
su 5 bar(a)
• Sovralimentazione con turbosoffiante del
motore a gas
• Iniezione del singas dopo
turbocompressoer e Intercooler
• Valvole di iniezione dalla tecnologia dei
motori a idrogeno (Hörbiger)
• Provoca:
� 100% elusione problema catrame a
via di regolazione del gas, turbocom-
pressore e Intercooler
� Elusione problema esplosione in caso
di reinnesco tramite iniezione diretta
prima della camera di combustione
� Aumento dell‘efficienza del motore
tramite turbosoffiante a 3,4 bar(a)
(Downsizing)
Fonte: agnion Technologies
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Potenziale di Port Injection
Lambda [-]
1,70 1,90 2,101000
1500
2000
2500
3000
Ladedruck [mbar]
5
10
15
Mitteldruck [bar]
0,36
0,38
0,40
0,42
Wirkungsgrad [-]
Gasmischung
nach Kompressor
vor Kompressor
measured with ref. gas 1
BMEP = 8,6 bar
Fonte: agnion Technologies
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Agnion motore singas
16
versione: agnion MPI
versione: agnion SPI
Fonte: agnion Technologies
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Condizione uscita formazione miscela nel tubo di
aspirazione senza dispositivo di omogeneizzazione
Aria
Singas
Fonte: agnion Technologies
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Ottimizzazione dell‘omogeneizzazone prima della
valvola di immissione tramite ugello di miscelazione
Aria
Singas
Fonte: agnion Technologies
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Confronto efficienza – Pfaffenhofen Pilot Plant
MAN 2876 Origin/agnion motore singas.
efficiency [%]
potenza [kW]
TA-Luft
180 ppm NOx
¼ TA-Luft
36 ppm NOx
5 %
Fonte: agnion Technologies
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NOX generazione vari carburanti
Rapporto A/F
Limiti poveriidrogeno
NG
benzina
poveroricco
Emissione NOX [g/kWh]
H2/N2 miscela (16/84 %vol.)
Fonte: GEJenbacher
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Andamento efficienza di potenza MAN 2842
E312 (Lambda 1) ed escercizio con Lambda 1,35 TA-Luft
30.01.2013 Fonte: MAN, 2g 21
Efficienza [%]
Lambda 1 @ NOx = ~ 6000mg/nm³
Lambda 1.35500 mg NOx/nm³
Gas da legna Hu = 1,85 kWh/nm³
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Curva effettiva MAN 2876 – SAE 40@90°C Temp. olio
30.01.2013 Fonte: 2g-drives 22
Velocità [rpm]
Potenza effettiva [kW]
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Scissione termica catrame (Nexterra)/purificazione
secca del gas
30.01.2013 Fonte: Nexterra/PGES 23
> 20g Σtar/nm³ < 1g Σtar/nm³
Al motore
conforme
TA 1000 0300 > 1000°C
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Impianto Nexterra 2 MW UBC, controllo pressione cicl.
30.01.2013 Fonte: Nexterra; PGES 24
Sensore pressione a cilindro
tipo Kistler
Emissioni prima di OXI Catalyst@ Lambda 2,197
NOx = 19 ppm
CO = 1064 ppm
CH4 = 41 ppm
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Composizione gas Güssing stato 2006
30.01.2013 Fonte: reNet/PGES 25
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Agnion motore a singas concetto di regolazione „Closed loop“
Fonte: agnion Technologies
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Concetto – Güssing con lavaggio gas RME
30.01.2013 Fonte: reNet Güssing 27
Güssing durata motore > 60 000 ore
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Spiez – Qualità del gas di legna
0
5
10
15
20
25
12:00 14:00 16:00 18:00 20:00 22:00 0:00 2:00 4:00 6:00 8:00 10:00 12:00 14:00
Uhrzeit [hh:mm]
mo
l% o
hn
e N
2
0
20
40
60
80
100
mo
l% N
2
CO
H2
CH4
CO2
O2
N2
Produktegas Rohgas
Fonte: Pyroforce/PSI
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Emissioni senza controllo del rapporto A/F
Fonte: Hydrotest AG
Pyroforce
CO, NOX [mg/Nm³]
time
O2
O2 [%vol.]
CO
NOX
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Efficienza – motore gas di legno vs. carico e NOx
BMEP = 9 bar, 90 mg NOx/sm³
motore lavora vicino al
limite di carico
BMEP 12 bar
450 mg NOx/sm³
BMEP 14 bar, 800 mg NOx/sm³
carico massimo vicino al limite
di accensione anticipata e deton.
efficiency
Carico [%]fuel: H2 = 16 %, CO = 26%, CH4 = 1,5 %
Fonte: lezione Herdin, GEJ varie presentazioni,
impianto Harboore
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Fasatura dell‘accensione ed emissioni NOx
0
250
500
750
1000
1250
1500
1750
10 15 20 25 30 35
Zündzeitpunkt (ZZP) [°KW v.OT]
NO
x,
CO
, C
xH
y M
oto
rab
ga
s [
mg
/Nm
³ @
5%
O2]
NOx
CO
CxHy
Gasmotor GE J156,
in Teillast bei 42 kWel
Treibgas: Holzgas aus
Gestufter Vergasung
"CleanStGas",
IWT, TU Graz, 19.09.2006
Holzgaszusammensetzung:
H2 24,0 v%tr, CO 16,5 v%tr,
CH4 1,0 v%tr, CO2 14,5 v%tr
(alle trockene Basis), Rest N2.
H2O 5,5 v%tr.
λ ≈ 1,17 (bis auf ZZP 25°/30°)
ZZP bei NH3-Messreihe
19°KW v.OT
ZZP 25° & 30°
λ = 1,27
CO
NOx
CxHyQuelle: IWT-TUG / LEC / GE J.CxHy
CO
NOx
fasatura [°CA bTDC]
em
issio
ns
[mg
/sm
³@5
%O
2]
λ = 1.27
λ = 1.19
source: IWT/LEC/GEJ
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Catalizzatore Oxi test Güssing
[mg/Nm³ @ 5%O2]
Fonte: GEJ varie presentazioni
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Gas di legna & emissioni analisi WILA
CH4
H2
CO
NOxCO
3000
2000
1000
contenuto [%] mg@5% O2
Emissioni
CO limitNOx limit
w/o cat
with cat
Fonte: WILA
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Problemi di potassio – rilevazione nell‘olio motore
3932/310 h
273/200 h
2/320 h 4/250 h 9/1000 h 3/350 h
345
76
8 6 6 3
500,00
400,00
300,00
200,00
100,00
0,00
100,00
200,00
300,00
400,00
500,00
lavaggio acqua & purificazione gas
basata su trucioli di legno
Potassio[ppm]
Fe da usura in olio motore [ppm]
Waukesha
Austria
Cummins
India
Guascor
Spagna
Jenbacher
Danimarca
Jenbacher
Svizzera
Jenbacher
Svizzera
4000.00
Purificazione gas basata su
filtri trattati a secco o ESP
Fonte: GEJ diff. presentatinons
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Esempio di analisi d‘olio (catalizzatore)
Non OK per catalizz.,
Purificazione del gas non
è abbastanza
Fonte: GEJ diff. presentatinons
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Esempio di analisi d‘olio (catalizzatore)
OK per
catalizzatore
Fonte: GEJ diff. presentatinons
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Conversione NH3 a NOx
Confronto NG con gas di legna
0
500
1000
1500
2000
2500
3000
3500
0 250 500 750 1000 1250 1500
NH3-Beladung im Gemisch [ppm]
NO
x i
m M
oto
rab
ga
s [
mg
/Nm
³ @
5%
O2].
Holzgas
Erdgas
Gasmotor GE J156, in Teillast bei 50 kWel
Quelle: IWT-TUG / LEC / GE J.
Fonte: GEJ diff. presentatinons
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Influenza di NH3 sulle emissioni di NOxNOx [mg/sm³@5 % O2]
Güssing
440 mg NH3
Jenbacher
2 MW
Harboore
<5 mg NH3
Jenbacher
1.4 MW
Spagna
4600 mg NH3
Guascor
160 kW
Balingen
2010 mg NH3
Liebherr
90 kW
NOx limite TA-Luft = 500 mg
Fonte: GEJ diff. presentatinons
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HarboØre/Dk
2 x JMS 320 GS S.L
Gassificatore a
corrente ascendente
Potenza
2 x 765 kW
Gas di legna:
H2 15-18%
CH4 3-5%
CO 25-28%
CO2 7-10%
N2 50-55%
LHV 6.85 MJ/sm³
Gassificazione di biomassa - HarbØØre/Dk
Fonte: GE Jenbacher
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Gassificazione di biomassa - HarbØØre/Dk
Stato impianto pilota 12/2007: motore n. 1. ore 25309
motore n. 2. ore 24895
12/2011 ogni motore più di 60 000 h
Fonte: GE Jenbacher
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Gas di legna India – Ankur
Cliente
Ankur gasifier test
(Ankur facilities)
sistema di purificazione gas (secco)
dopo il lavaggio umido
L’olio presenta 218 mg K/400 h !!!
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Gassificatore a letto fluido Spain (Almond Shells)
ENAMORA - Mora de Ebro (Tarragona)
NH3: 5 500 ppmNOx Waukesha/Guascor: 4560 mg NOx/Nm³ @5% O2 (lean limit)
operation 12/06 gasifier 20 000 hengines 16 000 hK in oil 2 mg/kgno wear
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Problemi di potassio nel turbocompressore (2440 h di
esercizio) – impianto pilota in Austria
Fonte: PGES
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Condizione elementi 10 500 ore Spiez (2)
Fonte: GE Jenbacher
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Condizione elementi 10 500 ore Spiez (3)
Fonte: GE Jenbacher
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Die Fördergesellschaft
Erneuerbare Energien (FEE e.V.) è la rete più
attiva e più grande in
Germania che si dedica alla
gassificazione di biomassa.
Focus:
• Incontri periodici
• Convegni internazionali
• Progetti di ricerca
• Sondaggi
• Guide del settore
• ecc.
In causa propria
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Riassunto
• La gassificazione delle biomasse e la produzione di corrente tramite
un motore a gas è la forma più effettiva della conversione
• L‘utilizzo di turbine a gas (microturbine) riduce l‘efficienza di conversione sotto il 20 %, dato che la compressione di un „gas
povero“ a seconda del concetto di gassificazione necessita fino al 18 % della corrente prodotta
• Con un utilizzo massimo della biomassa tramite combinazione calore
– forza in caso di processi a vapore le efficienze sono a seconda della
dimensione del sistema al di sotto del 15 %
• Le emissioni Nox di moderni motori a gas sono chiaramente sotto i
valori TA-Luf, per la riduzione delle emissioni di CO la purificazione
del gas deve essere eseguita seguendo lo stato dell‘arte della tecnica
• In ogni caso il trattamento del gas è molto importante, dato che ha un
influenza sulla funzione dell‘intero impianto e sulla sua durata
d‘esercizio. Oltre al catrame anche l‘NH3 e il potassio devono essere
eliminati nel miglior modo possibile
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