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Istituto di ricerche sulla combustione

Sviluppo di un sistema innovativo di cogenerazione di energia elettrica/termica da sorgente solare termica a concentrazione (2013)  

Il Progetto SOLar Thermal Energy Solid Storage (SOLTESS), inserito nel contesto delle energie rinnovabili e in particolare dell’energia solare, introduce una tecnologia innovativa applicata al solare termodinamico a concentrazione. SOLTESS ha ricevuto nel 2012 un prestigioso riconoscimento con una menzione speciale quale Miglior Processo/Tecnologia alla VI edizione del Premio Impresa Ambiente. Il Premio è un'iniziativa promossa dal Ministero dell'Ambiente e dalla Camera di Commercio di Roma che riconosce alla Magaldi S.p.A., quale principale impresa partecipante al progetto, di aver contribuito allo sviluppo di un processo innovativo in termini di sostenibilità ambientale. Il Premio dà inoltre diritto a partecipare all'European Business Award promosso dalla Commissione Europea (DG Environment).
Il Progetto SOLTESS riguarda lo sviluppo di un sistema di cogenerazione di energia elettrica/termica da sorgente solare termica a concentrazione. Il sistema, basato su una tecnologia innovativa, con accumulo termico in fase solida è caratterizzato da una grande semplicità e robustezza operativa, dalla modularità e dal minimo impatto ambientale. Esso è in grado di raccogliere energia solare per accumularla ed usarla producendo elettricità, vapore o acqua desalinizzata in tutte le possibili combinazioni. Un’ulteriore caratteristica del sistema è la sua capacità di utilizzo in impieghi ibridi potendo utilizzare combustibili tradizionali (gas naturale) o alternativi (bio-gas o bio-oli) come fonte energetica alternativa/integrativa al sole. L’innovazione del sistema di cogenerazione risiede principalmente nell’impiego di un sistema a letto fluido di solidi granulari che sfrutta le proprietà delle sospensioni solido/gas fluidizzate quali: l’elevato coefficiente di scambio termico fra letto e superfici di scambio, (fino a 800-1000 W/m2K regolabile in funzione delle condizioni operative di fluidizzazione) e l’elevata diffusività termica della sospensione (0.01-0.1 m2/s). Il sistema a letto fluido è perciò in grado di svolgere tre funzioni: ricevitore della radiazione solare, sistema di trasferimento di energia termica al ciclo vapore, accumulatore di energia da rendere disponibile nei periodi di insufficiente intensità della radiazione solare (Fig.1). L’attività progettuale, iniziata nel 2010 e tuttora in corso, è svolta nell’ambito di un finanziamento PON Ricerca e Competitività 2007-2013 con la partecipazione della Magaldi S.p.A., dell’Enel Energia e Innovazione, del Dipartimento di Ingegneria Chimica dell’Università degli Studi di Napoli Federico II e del CNR attraverso l’attività di tre Istituti: l’Istituto di Ricerche sulla Combustione (IRC), l’Istituto Nazionale di Ottica (INO) e l’Istituto di Scienza e Tecnologia dei Materiali Ceramici (ISTEC). Attualmente tale attività La ricerca ha riguardato lo sviluppo di un’intensa sperimentazione su impianti da laboratorio al fine di individuare la configurazione più promettente del sistema letto fluidizzato e campi specchi e le condizioni più opportune di funzionamento. Sono stati sviluppati modelli fisico/matematici semplificati del sistema. Nell’area industriale di Magaldi a Buccino (SA) è stato realizzato un impianto pilota da 100kWth, funzionante da luglio 2012. E’ in fase di ultimazione la progettazione meccanica dell’impianto dimostratore che avrà una potenzialità di 1850kWth e che dovrebbe fornire circa 650kWel.


Cattura della CO2 (2013)  

La produzione di energia ecosostenibile richiede il miglioramento delle prestazioni e la riduzione dell’impatto sull’ambiente e sul clima dei processi utilizzati. L'Istituto di Ricerche sulla Combustione (IRC) del CNR di Napoli, capofila d’importanti progetti finanziati dalla Ricerca di Sistema Elettrico del MiSE e del progetto FECUNDUS finanziato dalla Commissione Europea, svolge da tempo attività di studio sui processi tecnologicamente avanzati per la cattura della CO2(CCS). Le attività di ricerca sulla gassificazione e la post-combustione includono peraltro lo studio e sviluppo di materiali sorbenti efficienti.
La ricerca per l'implementazione tecnologica si focalizza in modo particolare sui processi avanzati multistadio in cui materiali, sotto forma granulare, agiscono come sorbenti rigenerabili di CO2 sia ad alta che a bassa temperatura. Un esempio è dato dalla gassificazione di carbone e biomassa in atmosfera di ossigeno e vapore ed in presenza di sorbenti, che permette la produzione di un gas sintetico più ricco in idrogeno in condizioni termodinamiche più favorevoli all'assorbimento della CO2.
Nell'ambito dello sviluppo di materiali innovativi per la cattura della CO2 è in corso lo studio di processi di produzione di una nuova classe di nanoibridi a base di rame denominati metal-organic-framework (MOF), intercalati con fogli di materiale grafenico. I fogli di materiale grafenico sono ottenuti dalla demolizione controllata in soluzione acquosa di un materiale a basso costo quale il carbon black. L’intercalazione conferisce ai MOF la conducibilità necessaria. Utilizzando il carbon black come materiale di base sono prodotti materiali con caratteristiche di superficie modulabili (idrofilicità/idrofobicità, porosità ed area superficiale) in grado di supportare agenti adsorbenti quali ammine, ferromagnetiti e liquidi ionici. La tecnica di sintesi altamente compatibile con produzioni su larga scala, produce rese significative dei materiali, ed è economicamente vantaggiosa ed ecosostenibile grazie all’utilizzo di materiali economici, soluzioni acquose e condizioni di reazioni blande.


COMBUSTIONE CATALITICA DEL GAS NATURALE (2003)  

La Combustione Catalitica è un’opzione tecnologica intrinsecamente pulita e sicura per produrre energia con alta efficienza, bruciando miscele gassose combustibile/aria anche al di fuori dei normali limiti di infiammabilità ed in corrispondenza di temperature operative inferiori a quelle di una fiamma tradizionale. Ciò consente di evitare i problemi di instabilità di funzionamento e soprattutto di formazione di inquinanti (CO, NOx, soot) tipici dei processi di combustione tradizionali (fig.1). Del resto, l’ossidazione catalitica di gas naturale e idrocarburi leggeri può rappresentare una via molto vantaggiosa per la produzione eco-sostenibile di intermedi chimici ad alto valore quali idrogeno, gas di sintesi, etilene e propilene. Tutti questi processi necessitano di sistemi catalitici resistenti a temperature elevate (800-1000°C o più) e con alta attività intrinseca per far fronte ai tempi di contatto estremamente ridotti normalmente richiesti.
Tipicamente, le formulazioni catalitiche impiegate si basano sui metalli nobili (e/o terre rare) dal momento che Pt, Pd e Rh sono considerati tra gli elementi più attivi; tuttavia il loro utilizzo ad alta temperatura è limitato da problemi di stabilità (Pd, Rh) e volatilità (Pt). Inoltre i grandi volumi richiesti di catalizzatori ad alto costo riducono o annullano del tutto i margini economici di convenienza di questi processi, posizionandoli di solito al di fuori dei limiti di fattibilità.
La ricerca è stata rivolta allo studio di catalizzatori alternativi di ossidi misti a struttura perovskitica supportati su materiali refrattari ad alta area superficiale. In particolare sono stati sviluppati nuovi catalizzatori a basso costo e con migliori caratteristiche di resistenza termica ed attività ossidativa. L’ingegnerizzazione delle nuove formulazioni catalitiche è stata effettuata con la preparazione di reattori catalitici strutturati in un’ampia varietà di forme (nido d’ape e schiume, Fig.2). Nella combustione povera premiscelata del metano, i catalizzatori monolitici hanno mostrato un’elevata attività di ossidazione accoppiata a doti di durabilità e resistenza a temperature fino a 1100°C, molto superiore alle corrispondenti perovskiti testate in precedeza. Tali caratteristiche li rendono interessanti per applicazioni sia domestiche che industriali quali: bruciatori premiscelati radianti e combustori per turbine a gas. Inoltre, questi catalizzatori presentano prestazioni migliori rispetto ai sistemi catalitici “stato dell’arte” a base di Pt in reattori a basso tempo di contatto (produzione di etilene attraverso ossidazione parziale di etano) e risultano di interesse industriale in impianti di steam cracking attualmente caratterizzati da alti costi di esercizio e forte impatto ambientale.
Lo studio, svolto in collaborazione con partner industriali, ha portato alla formulazione nel 2003 di un brevetto italiano, attualmente in fase di estensione internazionale, nonché all’assegnazione del prestigioso Premio ITALGAS 2003 per il Debutto nella Ricerca all’ing. Francesco Donsì per la Tesi di Dottorato svolta presso l’IRC su tale tematica.
La ricerca ha attivato proficue sinergie con partner industriali di alto profilo internazionale (ENEL, SNAMPROGETTI), per il finanziamento di progetti per la valutazione e l’implementazione di sistemi catalitici innovativi nei campi della produzione di energia pulita (Combustori per Turbine a Gas) e di intermedi dell’industria chimica (Produzione di Olefine).

Documento - Figure focus Combustione Catalitica


La combustione 'MILD' per la riduzione dell'inquinamento (2003)  

Ossidi di azoto, particolato carbonioso (fine ed ultrafine) e idrocarburi policiclici aromatici da processi di combustione sono tra i più importanti responsabili dell’inquinamento sia su scala globale, “effetto serra”, che nelle aree urbane: effetti sulla salute, visibilità. Una drastica riduzione di queste emissioni può essere ottenuta utilizzando una tecnica innovativa che consente di minimizzare le temperature di combustione utilizzando alte concentrazioni di sostanze inerti, come azoto, acqua o gli stessi gas esausti, diluendo il combustibile e l’aria in alimentazione. Affinché l’ossidazione del combustibile possa avvenire è necessario preriscaldare i reagenti a temperature maggiori della temperatura di ignizione spontanea del combustibile. Il risultato è un processo di combustione efficiente e pulito di interesse per molte applicazioni pratiche, dai forni per la lavorazione di materie prime ai turbogas.
Lo studio, realizzato presso l’IRC in collaborazione con il Dipartimento di Ingegneria Chimica dell’Università Federico II di Napoli, si è sviluppato utilizzando sia strumenti teorici sia un approccio sperimentale rivolto ad una migliore conoscenza e diffusione di tale tecnologia di combustione a livello sia nazionale sia internazionale, denominata con l’acronimo MILD (Moderate or Intense Low-oxygen Dilution), coniato dallo stesso gruppo di ricerca. L’interesse della comunita’ scientifica ed industriale verso tale nuova tecnologia di combustione trova riscontro in plenary lecture che i componenti del gruppo di ricerca hanno tenuto nell’ambito di convegni internazionali e nell’invito da parte della principale rivista internazionale nel campo dell’energia di realizzare un lavoro di analisi critica delle problematiche e delle potenzialita’ della combustione MILD.
Un particolare aspetto studiato ha riguardato l’identificazione delle condizioni stabili di funzionamento di sistemi alimentati con idrocarburi leggeri come il metano. L’uso di semplici modelli sia numerici che sperimentali ha permesso di individuare gli intervalli di temperatura, rapporto di alimentazione combustibile/comburente e livello di diluizione in grado di realizzare un processo di combustione stabile ed efficiente. Nel quadro dell’attuale politica ambientale, la combustione MILD è applicabile a sistemi in cui l’idrogeno è utilizzato come combustibile. Infatti le condizioni fortemente diluite, caratteristiche della tecnologia, rappresentano una soluzione alle difficoltà presenti nei processi di combustione dell’idrogeno, legate all’elevata velocità di propagazione di fiamma di tale combustibile. L’elevata diluizione consente di moderare il processo di ossidazione dell’idrogeno realizzando una combustione controllata.
In futuro si prevede di realizzare in collaborazione con strutture di ricerca italiane e straniere, ENEA e CNRS, una ulterire caratterizzazione delle fenomenologie di base dei processi di combustione MILD che utilizzano combustibili tradizionali ed alternativi, individuandone i campi di applicabilità di maggiore interesse per lo sviluppo di sistemi pratici di combustione a basso impatto ambientale.


Sistemi policombustibile di generazione e/o recupero di energia (2002)  

Il progresso e l'evoluzione tecnologica richiedono sempre più energia ed è preoccupante l'attuale deficit di produzione nazionale. Eventuali contrazioni di approvvigionamenti delle fonti energetiche avrebbero ripercussioni negative sul tessuto produttivo nazionale. Una risposta può derivare dalla diversificazione delle fonti energetiche, dall'includere logiche di recupero energetico di scarti di origine industriale e dall'utilizzo di fonti rinnovabili. Naturalmente tali strategie devono garantire la eco-compatibilità dei sistemi energetici. In tale ottica la termovalorizzazione di scarti industriali ha il doppio beneficio della distruzione di una potenziale sorgente di inquinamento e l'incremento della redditività del sistema globale. E' evidente che sistemi avanzati di combustione di scarti industriali debbano essere sistemi poli-combustibile richiedendo, dunque, la disponibilità di processi e tecnologie di combustione in grado di trattare materiali combustibili gassosi, liquidi e solidi che derivano da produzioni industriali ed agricole (cere di fusione, sanze esauste di frantoio, oli esausti lubrificanti, combustibili gassosi a basso potere calorifico). L'Istituto ha sviluppato una intensa attività di ricerca dalla scala da laboratorio a quella pilota per l'individuazione delle configurazioni impiantistiche ottimali, in chiave energetica ed ambientale, per la realizzazione di network di poligenerazione/polialimentazione, caratterizzando combustibili di differente natura in riferimento ad emissioni, efficienza di combustione, problematiche di esercizio e condizioni operative ottimali. In questa ottica si inquadra la realizzazione di:
Sistema di combustione di liquidi e gas ad alta temperatura e pressione: l'obiettivo è stato la realizzazione di un sistema di combustione, fig.1, di combustibili gassosi e liquidi in un flusso di aria ad alta pressione (fino a 40atm) e temperatura (fino a 900K) a vari livelli di diluizione. Il processo di combustione è caratterizzato tramite tecniche di diagnostica ottica (scattering e fluorescenza bidimensionali, PDA, PIV) e di analisi chimica.
Sistema sperimentale di combustione catalitica: l'obiettivo è stato la realizzazione di un sistema di combustione catalitica per idrocarburi, biogas e sottoprodotti industriali a medio potere calorifico. Il sistema può lavorare fino ad una temperatura di 800°C, ha una sezione catalitica modulare, fig.2, ed è equipaggiato con sonde per la misura dei profili termici e delle principali specie gassose: NOx, CO, CH4, UHC, CO2, O2 , H2.
Sistema di combustione in letto fluido di scala pilota policombustibile. l'obiettivo è stato la realizzazione di un sistema di combustione a letto fluido da 370mm ID per materiali combustibili solidi e liquidi corredato da sistemi di caratterizzazione dei materiali di partenza e/o effluenti dalle differenti sezioni dell'impianto. La combustione di combustibili di scarso pregio, biomasse e residui di origine vegetale, residui e/o sottoprodotti industriali è stata studiata con tale sistema.

Documento - Figura 1
Documento - Figura 2
Documento - Figura 3


Studio delle esplosioni termiche di miscele gassose e dei rischi derivanti  (2002)  

Nell'ambito della ricerca sulla sicurezza industriale, l'Istituto di Ricerche sulla Combustione studia i rischi derivanti da incidenti in insediamenti industriali, con particolare riguardo alle esplosioni termiche di miscele gassose, e ne analizza i sottostanti meccanismi chimico-fisici. Tali studi hanno ricadute sia scientifiche che applicative in quanto determinano sviluppi nel campo scientifico e consentono di descrivere mappe di rischio e di formulare criteri per la progettazione. Attualmente, infatti, non è compiutamente noto il ruolo e il peso dei singoli fenomeni coinvolti in un processo esplosivo. Inoltre, non esistono criteri guida universalmente riconosciuti per la previsione di incidenti e la progettazione delle condizioni di sicurezza nel caso di esplosioni in ambienti confinati o semi-confinati all'interno di installazioni industriali.
La attività svolta presso l'Istituto di Ricerche sulla Combustione è basata principalmente sulla simulazione dei suddetti fenomeni in ambienti confinati o semi-confinati, nonché sulla valutazione del rischio derivante da tali incidenti.
Negli ultimi anni, lo sviluppo di sofisticati codici di calcolo e soprattutto delle potenze di calcolo hanno fornito strumenti adeguati per la simulazione di complessi fenomeni, quali l'interazione tra turbolenza e reazione chimica: le esplosioni e le conseguenze che ne derivano possono essere, pertanto, riprodotte. L'attività di ricerca ha riguardato la messa a punto di codici fluidodinamici (CFD) per lo studio dei fenomeni di combustione deflagrativa sia in ambienti industriali di grande scala che all'interno di apparecchiature. A differenza dei modelli comunemente usati in letteratura, tali codici si avvalgono di modelli chimici e fluidodinamici adeguati a simulare le esplosioni anche in ambienti di larga scala. La validazione dei risultati delle simulazioni (fig.1) condotte con questi programmi permette di avere a disposizione uno strumento matematico in grado di prevedere l'insorgere e il decorrere di un processo esplosivo.
L'attività sopra indicata è stata svolta in collaborazione con diversi istituti nazionali ed internazionali. Collaborazioni sono state stabilite con la McGill University di Montreal (Canada) e in particolare con il Prof. J.H.S.Lee, con la University of Ulster (UK) e in particolare con il prof. Molkov e con l'Università di Napoli.
Il tema della sicurezza assume una notevole rilevanza sia nel settore privato che pubblico dai quali possono derivare finanziamenti per la ricerca. In particolare, fonti di finanziamento sono individuabili nel settore industriale privato per lo studio e caratterizzazione di nuovi processi sviluppati da piccole e medie industrie, e in organismi istituzionali, quali l'Agenzia per la Protezione Civile e l'Unione Europea.

Documento - figura 1


 
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