1. “Tecnico Superiore per la gestione e la verifica di impianti energetici”
European Qualification Framework - EQF
Valutazione degli effetti ambientali della conversione ed utilizzo dell’energia
Energia e Ambiente
EMISSIONI IN ATMOSFERA
Ing. Michele Vannuccini AA 2015 - 2016
2. Ing. Michele Vannuccini
INGEGNERE PER L’AMBIENTE ED IL TERRITORIO
Laureato presso l’Università degli Studi di Firenze A.A. 2002-2003
CONTATTI:
mikevannuccini@gmail.com
m.vannuccini@erre-energie.it
DOCENTE
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3. DOCENTE
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Sede Legale
Via Borgo San Donnino, 208
50052 Certaldo (FI)
Sede Amministrativa e Operativa
Via Senese,94
50028 Tavarnelle Val di Pesa (FI)
Tel 055-5355773
Fax 055-7729377
infoerre@erre-energie.it
www.erre-energie.it
4. Erre Energie Srl è una società di servizi energetici costituita nel 2009 ed è
attiva sul territorio nazionale con interventi in ambito civile, industriale e nel
terziario.
L'attività di ricerca e sviluppo costante, portata avanti da un pool di tecnici
formati nella Gestione dell’Energia (EGE), ha permesso all'azienda di
consolidare in pochi anni la sua presenza sul mercato energetico legato alle
fonti rinnovabili. L’azienda è accreditata presso l'AEEG (Autorità per l'Energia
Elettrica e il Gas) quale ESCo (Energy Service Company) ed è, quindi,
soggetto riconosciuto nel mercato dei Titoli di Efficienza Energetica (TEE),
contribuendo al raggiungimento degli obiettivi previsti dal protocollo di Kyoto.
Attraverso questo meccanismo Erre Energie finanzia (totalmente o
parzialmente) l'installazione di tecnologie ad alta efficienza.
La nostra mission è la riduzione dei consumi energetici e la diffusione delle
fonti energetiche rinnovabili grazie a soluzioni tecnologiche evolute, studiate
appositamente per la pubblica amministrazione in combinazione a
finanziamenti o incentivi ove presenti, con il fine di migliorare l'efficienza
energetica e la salvaguardia dell’ambiente.
DOCENTE
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7. Sezione Macchine
• Fornire le conoscenze fondamentali sulla tipologia e caratteristiche delle
emissioni inquinanti connesse alla produzione ed utilizzo di energia, con
particolare riferimento alla qualità dell’aria
• Fornire le conoscenze e le competenze operative di base sulla diffusione
delle emissioni (gas e particolato) nell’ambiente aeriforme
• Imparare i fondamenti della Life Cycle Analysis
OBIETTIVI DEL CORSO
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9. PROGRAMMA DEL CORSO
A. Valutazione e verifica delle emissioni in atmosfera
Emissioni caratteristiche di impianti di conversione:
• impianti a vapore/generatori di calore
• turbine a gas
• motori volumetrici a combustione interna
Emissioni da traffico veicolare
Fattori di emissione
Inventari delle emissioni
Inquinanti primari, secondari, in traccia
Normativa sulle emissioni inquinanti
Unità di misura, conversioni e correzioni per confronto con limiti normativi
Emissioni alla fonte
Testo Unico sull’Ambiente
BATs e BREF
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10. PROGRAMMA DEL CORSO
A. Valutazione e verifica delle emissioni in atmosfera
Introduzione alla combustione
• Combustibili tecnici
• Caratteristiche ed analisi del combustibile
• Conduzione di calcoli sulla stechiometria della combustione
• Calcolo dei reagenti e dei prodotti
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11. PROGRAMMA DEL CORSO
A. Valutazione e verifica delle emissioni in atmosfera
Effetto serra e contenimento delle emissioni di anidride carbonica
Protocollo di Kyoto
Carbon Footprint - Esempi di calcolo
Emissioni di metano
Life Cycle Assessment
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12. PROGRAMMA DEL CORSO
A. Valutazione e verifica delle emissioni in atmosfera
La misura delle emissioni gassose e di particolato
Conversione tra unità di misura volumetriche, di massa ed energetiche
Analizzatori di gas (principio di funzionamento): NDIR, FID, CL, polarografici
e paramagnetici.
Analizzatori di combustione
Gascromatografo
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13. PROGRAMMA DEL CORSO
B. Trattamento delle emissioni
Rimozione del particolato
Efficienza di rimozione
Distribuzioni di granulometria
Equilibrio dinamico delle particelle
Cicloni, principio fisico di funzionamento
Perdita di pressione nei cicloni
Multicicloni, cicloni a umido
Principi di funzionamento di sistemi con filtri elettrostatici ed a maniche
Selezione del sistema di depolverazione
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14. PROGRAMMA DEL CORSO
B. Trattamento delle emissioni
Rimozione degli inquinanti gassosi
Condensazione
Assorbimento (torri di lavaggio, scrubber venturi, spray absorber)
Adsorbimento
Rimozione per combustione/ossidazione
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15. PROGRAMMA DEL CORSO
B. Trattamento delle emissioni
Esempi di sistemi industriali di trattamento effluenti:
• Desolforazione
• Rimozione dei gas acidi e degli NOx
Sistema AMIS per trattamento effluenti da impianti geotermici
Cenni alle soluzioni per la cattura e lo stoccaggio dell'anidride carbonica
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16. TESTI, DOCUMENTAZIONE E PROVE D’ESAME
• Culp, A., 1980, “Energy Conversion”, McGraw-Hill.
• Finzi, G., Brusasca, G., 1991, "La qualità dell'aria. Modelli previsionali e
gestionali", Masson
• Wark, K., Warner, C.F., 1981, "Air Pollution. Its origin and control", Harper &
Row.
• Zannetti, P, “Air Pollution Modeling” Computational Mechanics Publications,
Van Nostrand-Reinhold, 1990.
• Cau, G., Cocco, D., “L’Impatto Ambientale dei Sistemi Energetici”, SGE 2004
• Caputo, C. (a cura di), “L’Impatto delle Macchine sull’Ambiente”, Masson, 1998
• Bejan, Moran, Tsatsaronis, “Thermal Design and Optimization”, Wiley
Modalità di esame:
• n.1 Prova di verifica scritta
• Eventuale esame orale basato sulle carenze dimostrate nelle prove scritte
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17. CALENDARIO DEL CORSO
Data Orario N. ore Docente
martedì 22 settembre 2015 9.00 - 13.00 4 Vannuccini
martedì 29 settembre 2015 14.00 - 18.00 4 Vannuccini
giovedì 8 ottobre 2015 10.00 - 13.00 4 Vannuccini
venerdì 16 ottobre 2015 9.00 - 13.00 4 Lombardi
martedì 20 ottobre 2015 14.00 - 17.00 4 Vannuccini
venerdì 23 ottobre 2015 9.00 - 13.00 4 Lombardi
martedì 27 ottobre 2015 14.00 - 17.00 4 Vannuccini
venerdì 6 novembre 2015 14.00 - 18.00 4 Lombardi
mercoledì 11 novembre 2015 14.00 - 18.00 4 Patrizi
venerdì 13 novembre 2015 9.00 - 13.00 4 Lombardi
martedì 17 novembre 2015 14.00 - 18.00 4 Patrizi
venerdì 20 novembre 2015 9.00 - 13.00 4 Lombardi
martedì 24 novembre 2015 14.00 - 18.00 4 Patrizi
venerdì 27 novembre 2015 9.00 - 13.00 4 Lombardi
martedì 1 dicembre 2015 14.00 - 18.00 4 Patrizi
mercoledì 9 dicembre 2015 14.00 - 18.00 4 Patrizi
venerdì 11 dicembre 2015 9.00 - 13.00 4 Lombardi
venerdì 18 dicembre 2015 9.00 - 13.00 4 Lombardi ESAME FINALE
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18. INQUINAMENTO ATMOSFERICO
E m i s s i o n i i n a t m o s f e r a d a i m p i a n t i d i
c o n v e r s i o n e d e l l ’ e n e r g i a
19. INQUINAMENTO ATMOSFERICO
E m i s s i o n i i n a t m o s f e r a d a i m p i a n t i d i
c o n v e r s i o n e d e l l ’ e n e r g i a
20. INQUINAMENTO ATMOSFERICO
E m i s s i o n i i n a t m o s f e r a d a i m p i a n t i d i
c o n v e r s i o n e d e l l ’ e n e r g i a
Presenza nell'atmosfera di sostanze che causano una riduzione dell’utilizzabilità
della risorsa, in termini di qualità, e/o un effetto negativo misurabile su esseri umani,
flora, fauna o materiali; queste sostanze di solito non sono presenti nella normale
composizione dell’aria, oppure lo sono a livelli di concentrazione inferiori.
21. INQUINAMENTO ATMOSFERICO
E m i s s i o n i i n a t m o s f e r a d a i m p i a n t i d i
c o n v e r s i o n e d e l l ’ e n e r g i a
Presenza nell'atmosfera di sostanze che causano una riduzione dell’utilizzabilità
della risorsa, in termini di qualità, e/o un effetto negativo misurabile su esseri umani,
flora, fauna o materiali; queste sostanze di solito non sono presenti nella normale
composizione dell’aria, oppure lo sono a livelli di concentrazione inferiori.
22. INQUINAMENTO ATMOSFERICO
E m i s s i o n i i n a t m o s f e r a d a i m p i a n t i d i
c o n v e r s i o n e d e l l ’ e n e r g i a
Presenza nell'atmosfera di sostanze che causano una riduzione dell’utilizzabilità
della risorsa, in termini di qualità, e/o un effetto negativo misurabile su esseri umani,
flora, fauna o materiali; queste sostanze di solito non sono presenti nella normale
composizione dell’aria, oppure lo sono a livelli di concentrazione inferiori.
23. EMISSIONI IN ATMOSFERA
DA IMPIANTI DI CONVERSIONE DELL’ENERGIA
E m i s s i o n i i n a t m o s f e r a d a i m p i a n t i d i
c o n v e r s i o n e d e l l ’ e n e r g i a
Specie Effetto Inquinante Tempo di Residenza
CO2 – Anidride Carbonica Effetto Serra Molto Elevato – effetto globale
CO – Monossido di Carbonio Tossico, tende a legarsi
con
emoglobina
Basso – effetto locale
HC – idrocarburi
tra cui gli IPA
Smog fotochimico,
cancerogeni, tossico,
effetto sera (CH4)
Basso – effetto locale
Elevato – effetto globale
NOx - ossidi di azoto Smog fotochimico,
deposizioni acide, tossico,
effetto serra
Basso – effetto locale
SOx - ossidi di zolfo Tossico, deposizioni acide Basso – effetto locale
PTS - Particolato solido
sospeso (totale)
Tossico, effetto frigorifero Basso – effetto locale
Microinquinanti Organici
Diossine e Furani
Tossico Elevato – effetto locale
24. SITUAZIONE GENERALE E CONFRONTO CON ALTRE FONTI
DI INQUINAMENTO – DATI ISPRA 2012
E m i s s i o n i i n a t m o s f e r a d a i m p i a n t i d i
c o n v e r s i o n e d e l l ’ e n e r g i a
= 1000 t
25. SITUAZIONE GENERALE E CONFRONTO CON ALTRE FONTI
DI INQUINAMENTO – DATI ISPRA 2012
E m i s s i o n i i n a t m o s f e r a d a i m p i a n t i d i
c o n v e r s i o n e d e l l ’ e n e r g i a
26. SITUAZIONE GENERALE E CONFRONTO CON ALTRE FONTI
DI INQUINAMENTO – DATI ISPRA 2012
E m i s s i o n i i n a t m o s f e r a d a i m p i a n t i d i
c o n v e r s i o n e d e l l ’ e n e r g i a
27. SITUAZIONE GENERALE E CONFRONTO CON ALTRE FONTI
DI INQUINAMENTO – DATI ISPRA 2012
E m i s s i o n i i n a t m o s f e r a d a i m p i a n t i d i
c o n v e r s i o n e d e l l ’ e n e r g i a
28. SITUAZIONE GENERALE E CONFRONTO CON ALTRE FONTI
DI INQUINAMENTO – DATI ISPRA 2012
E m i s s i o n i i n a t m o s f e r a d a i m p i a n t i d i
c o n v e r s i o n e d e l l ’ e n e r g i a
Benzene
29. SITUAZIONE GENERALE E CONFRONTO CON ALTRE FONTI
DI INQUINAMENTO – DATI ISPRA 2012
E m i s s i o n i i n a t m o s f e r a d a i m p i a n t i d i
c o n v e r s i o n e d e l l ’ e n e r g i a
Composti Organici Volatili – Non Metanici
30. IMPIANTI
E m i s s i o n i i n a t m o s f e r a d a i m p i a n t i d i
c o n v e r s i o n e d e l l ’ e n e r g i a
31. IMPIANTI A VAPORE
E m i s s i o n i i n a t m o s f e r a d a i m p i a n t i d i
c o n v e r s i o n e d e l l ’ e n e r g i a
32. IMPIANTI A VAPORE
Caratterizzazione:
Sono del tipo a combustione esterna: le emissioni sono del tutto simili a quelle degli
impianti per produzione di calore e dipendono in larga misura dal tipo di
combustibile utilizzato.
Quantitativamente sono rilevanti perché questi impianti coprono la maggior parte del
carico termoelettrico.
Inoltre per le loro caratteristiche di flessibilità si tende ad utilizzarli proprio con
combustibili difficili e di basso costo.
Inquinanti in traccia
metalli pesanti
diossine
ammoniaca
mercurio
arsenico
inq. radioattivi
Ossidi di azoto
Ossidi di zolfo
Monossido di carbonio ed
idrocarburi incombusti (HC)
Particolato
E m i s s i o n i i n a t m o s f e r a d a i m p i a n t i d i
c o n v e r s i o n e d e l l ’ e n e r g i a
33. IMPIANTI A VAPORE
Motivazioni delle emissioni:
• La maggior parte dei problemi si presenta per utilizzo di combustibili
solidi (carbone, CDR = combustibile derivato da rifiuti): questi, oltre
a contenere impurità, bruciano con rapporti di miscela
aria/combustibile locali non perfettamente omogenei e richiedono
per questo condizioni ossidanti (eccesso d’aria complessivo
considerevole)
• I problemi più gravi si hanno per combustibili (solidi o liquidi) a forte
tenore di zolfo (olii combustibili, carbone: fino al 7%)
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34. IMPIANTI A VAPORE
Soluzioni:
• Utilizzo di combustibili a basso tenore di zolfo (originari o desolforati)
• Desolforazione dei gas di scarico
• Rimozione del particolato (cicloni, filtri elettrostatici, filtri a manica)
• Combustori a bassa emissione di NOx (combustione a stadi, anche a
livello del focolare)
• Denitrificazione dei gas di scarico
• Controllo accurato della temperatura allo scarico e delle condizioni
operative dei filtri (emissioni in traccia)
• Miglioramento della regolazione (transitori di accensione e
spegnimento, modulazione del carico)
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35. IMPIANTI A VAPORE
Soluzioni avanzate:
• Combustione in letto fluido (limitazione NOx e possibilità di rimozione a
caldo di specie acide con uso di additivi).
Il combustore a letto fluido è costituito essenzialmente da un cilindro verticale in
cui il combustibile (ad esempio il rifiuto o il CDR) viene tenuto in sospensione
(fluidificato) da una corrente d’aria inviata attraverso una griglia posta alla base
del cilindro stesso. In molti casi il cilindro contiene un inerte che si mescola al
materiale da bruciare all’atto dell’alimentazione, in modo da favorire i processi di
scambio termico, fornire sufficiente inerzia termica al sistema e regolarizzare il
processo. Un tipico inerte è costituito da sabbia. L’aria assolve alla duplice
funzione di partecipare al processo di combustione e, fatto più specifico, di
sollevare la massa di sabbia che sovrasta la griglia. La camera di combustione è
rappresentata proprio dal letto di sabbia in stato fluido e la camera del materiale,
entrando in questa zona, subisce subito quei processi di disidratazione e di
combustione tipici del processo, data anche l’elevata superficie di scambio
E m i s s i o n i i n a t m o s f e r a d a i m p i a n t i d i
c o n v e r s i o n e d e l l ’ e n e r g i a
36. IMPIANTI A VAPORE
Soluzioni avanzate:
E m i s s i o n i i n a t m o s f e r a d a i m p i a n t i d i
c o n v e r s i o n e d e l l ’ e n e r g i a
37. IMPIANTI A VAPORE
Soluzioni avanzate:
• Sostituzione con gassificatori di combustibili solidi, accoppiati a sistemi a
ciclo combinato gas-vapore
La Gassificazione è una tecnologia di conversione termochimica per mezzo della
quale un combustibile solido (Biomassa legnosa) viene trasformato in un
combustibile gassoso (Syngas).
La trasformazione avviene in un reattore stagno, in mancanza di ossigeno e a
temperature intorno ai 1000 °C.
Il Syngas può essere utilizzato per la produzione di Energia Termica ed Energia
Elettrica, in maniera combinata tramite un cogeneratore. L'energia prodotta
utilizzando il Syngas o Gas di sintesi è a tutti gli effetti un'energia rinnovabile.
E m i s s i o n i i n a t m o s f e r a d a i m p i a n t i d i
c o n v e r s i o n e d e l l ’ e n e r g i a
38. IMPIANTI TURBOGAS
Gli impianti a turbina a gas sono composti da un compressore ed una
turbina collegati tra loro meccanicamente, come visibile in figura, l’aria
compressa viene inviata al combustore dove si miscela con il
combustibile, ed i gas combusti così prodotti espandono in turbina
cedendo la loro energia.
E m i s s i o n i i n a t m o s f e r a d a i m p i a n t i d i
c o n v e r s i o n e d e l l ’ e n e r g i a
39. IMPIANTI TURBOGAS
La differenza sostanziale rispetto alle turbine a vapore risiede nel fatto
che in quelle a gas il fluido operativo è il prodotto stesso della
combustione e pertanto deve essere privo di particelle solide e corrosive
che potrebbero danneggiare irrimediabilmente le palettature; per questo
motivo (salvo particolari soluzioni) non è possibile utilizzare combustibili
solidi ma esclusivamente liquidi (olii combustibili a basso tenore di zolfo)
o gassosi (gas naturale o di sintesi).
I gas di scarico espansi possiedono ancora una notevole quantità di
calore, che può essere perduta allo scarico (Ciclo Semplice) oppure
recuperata installando un impianto a vapore che recuperi il calore
residuo (Ciclo Combinato o Cogenerativo) per produrre altra energia
elettrica mediante una turbina a vapore, oppure direttamente vapore o
acqua calda per usi tecnologici o di teleriscaldamento.
E m i s s i o n i i n a t m o s f e r a d a i m p i a n t i d i
c o n v e r s i o n e d e l l ’ e n e r g i a
40. IMPIANTI TURBOGAS
I turbogas hanno caratteristiche di emissione estremamente ridotte,
specialmente nelle applicazioni terrestri dove sono tipicamente alimentati
da gas naturale.
Ossidi di azoto
Monossido di carbonio ed
idrocarburi incombusti (HC)
Particolato
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41. IMPIANTI TURBOGAS
Motivi:
• Il quantitativo di NOx emessi, riferito all’unità di energia, è molto basso; la
combustione in rilevante eccesso d’aria favorisce però l’ossidazione diretta a
NO2 (più tossico di NO)
• Gli idrocarburi incombusti non dovrebbero formarsi in una TG correttamente
gestita (possono formarsi nel caso di TG alimentate a liquido con ugelli
atomizzatori sporchi). Il CO è emesso in quantità molto limitata e
principalmente al carico minimo
• La fumosità è assente nel caso di alimentazione a gas naturale; può essere un
problema per alimentazione a combustibile liquido (propulsione aeronautica)
• Nelle applicazioni a ciclo combinato con turbine a gas si raggiungono
rendimenti molto elevati (>60%). Di conseguenza si ha un inquinamento
termico (calore di scarico) molto ridotto, ed una produzione di inquinanti e di
CO2 riferiti all’unità energetica (kWh) tra le più basse ottenibili nel campo della
conversione dell’energia
• Problemi di emissioni possono incontrarsi con TG che operano su combustibili
di scarso pregio (olio pesante, carbone, scarti di raffineria, etc.)
E m i s s i o n i i n a t m o s f e r a d a i m p i a n t i d i
c o n v e r s i o n e d e l l ’ e n e r g i a
42. IMPIANTI TURBOGAS
Soluzioni di trattamento:
• Utilizzo di combustibili pregiati (gas naturale)
• Controllo dell’eccesso d’aria (diminuire al minimo l’aria in eccesso alla
combustione in modo da evitare di avere ossigeno libero di legarsi all’azoto
dell’aria stessa)
• Combustori a bassa emissione di NOx (combustione a stadi; ricircolo dei gas
di combustione)
• Denitrificazione dei gas di scarico (costosissima, tecnologia consente di ridurre
la formazione degli NOx grazie all’immissione in camera di combustione di
acqua o vapore. Nel caso di acqua essa, evaporando, assorbe calore dalla
fiamma, mitigandone la temperatura. Nel caso di vapore si punta ad una
semplice riduzione di temperatura della fiamma per mescolamento con vapore
a temperatura più bassa. Quest’ultimo caso è però più frequente nelle camere
di combustione delle turbine a gas, per ridurre le sollecitazione termica delle
palette. L’effetto benefico della riduzione degli ossidi di azoto è anche in tal
caso dovuto alla riduzione della temperatura di fiamma e quindi alla
mitigazione della formazione di NOx termici.)
E m i s s i o n i i n a t m o s f e r a d a i m p i a n t i d i
c o n v e r s i o n e d e l l ’ e n e r g i a
43. IMPIANTI TURBOGAS
Soluzioni avanzate:
• Combustori catalitici (mediante opportuni catalizzatori, si cerca di far avvenire
la reazione di ossidazione del combustibile a temperature inferiori a quelle
usuali, fino a 1000 °C in meno rispetto ad una combustione convenzionale. In
tal modo si hanno notevoli riduzioni delle emissioni di NOx)
Il processo di SCR attua una riduzione degli ossidi di azoto, i quali alla fine
sono convertiti in azoto molecolare (N2) ed acqua (H2O), mediante l’aggiunta
di ammoniaca (NH3) o di urea (CH4N2O), che fungono da agenti riducenti.
La cinetica delle reazioni chimiche di riduzione è agevolata dall’utilizzo di un
apposito catalizzatore, il quale serve a garantire un adeguato grado di
conversione dei reagenti nei prodotti finali (dal momento che tale intervento si
svolge in un range di temperature comprese tra 250 °C e 450 °C e quindi con
bassi livelli di energia di attivazione)
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c o n v e r s i o n e d e l l ’ e n e r g i a
44. IMPIANTI CON MOTORI A COMBUSTIONE INTERNA (MCI)
VOLUMETRICI ALTERNATIVI (NAVI, VEICOLI)
E m i s s i o n i i n a t m o s f e r a d a i m p i a n t i d i
c o n v e r s i o n e d e l l ’ e n e r g i a
Il motore a combustione interna (MCI) è definito come macchina motrice
endotermica che permette di convertire l'energia chimica, posseduta da una
miscela aria-combustibile (benzina-diesel-cherosene-gpl-metano-ecc...), in
lavoro meccanico reso disponibile all'albero motore ed in generale al sistema di
trasmissione.
I motori a scoppio o diesel sono CHIAMATI ALTERNATIVI perché utilizzano un
meccanismo biella-manovella per la trasformazione del moto alternativo di uno
stantuffo (PISTONE) in moto rotatorio dell’albero motore.
45. IMPIANTI CON MOTORI A COMBUSTIONE INTERNA (MCI)
VOLUMETRICI ALTERNATIVI (NAVI, VEICOLI)
E m i s s i o n i i n a t m o s f e r a d a i m p i a n t i d i
c o n v e r s i o n e d e l l ’ e n e r g i a
MOTORI A CARBURAZIONE (o a SCOPPIO): sono quelli in cui il combustibile
liquido nebulizzato viene mescolato con l’aria comburente formando una
miscela gassosa che viene introdotta nel cilindro operatore. Quando la miscela
è compressa, una scintilla generata dalla candela ne provoca la combustione.
Per tale motivo questi motori si chiamano anche ad accensione comandata.
46. IMPIANTI CON MOTORI A COMBUSTIONE INTERNA (MCI)
VOLUMETRICI ALTERNATIVI (NAVI, VEICOLI)
E m i s s i o n i i n a t m o s f e r a d a i m p i a n t i d i
c o n v e r s i o n e d e l l ’ e n e r g i a
MOTORI A INIEZIONE (o DIESEL): sono quelli in cui il combustibile
polverizzato viene introdotto all’interno del cilindro operatore che già contiene
aria compressa e ad elevata temperatura. Il combustibile a contatto con l’aria
comburente calda si incendia spontaneamente; da qui il nome di motori ad
accensione spontanea.
47. IMPIANTI CON MOTORI A COMBUSTIONE INTERNA (MCI)
VOLUMETRICI ALTERNATIVI (NAVI, VEICOLI)
E m i s s i o n i i n a t m o s f e r a d a i m p i a n t i d i
c o n v e r s i o n e d e l l ’ e n e r g i a
Caratterizzazione:
I Motori Volumetrici a Combustione Interna sono responsabili di gran parte
dell’inquinamento atmosferico legato alla conversione dell’energia.
Microinquinanti ad alta tossicità
Ossidi di azoto
Monossido di carbonio ed idrocarburi incombusti (HC)
Particolato
48. IMPIANTI CON MOTORI A COMBUSTIONE INTERNA (MCI)
VOLUMETRICI ALTERNATIVI (NAVI, VEICOLI)
E m i s s i o n i i n a t m o s f e r a d a i m p i a n t i d i
c o n v e r s i o n e d e l l ’ e n e r g i a
Motivi:
I tempi limitati a disposizione per il completamento delle reazioni di
combustione sono i principali responsabili delle elevate emissioni (cinetica
chimica).
Il rendimento basso, specie nelle applicazioni come l’autotrazione che
richiedono l’esercizio con carichi molto variabili, comporta cifre di emissione
riferite all’unità di energia prodotta estremamente elevate. Peraltro in queste
applicazioni si preferisce riferire le emissioni all’ambiente al chilometro oppure
(più correttamente, in modo da tenere conto degli effetti dinamici che sono
molto importanti) a cicli di riferimento (ECE, SAE, etc.).
NOTA: Il ciclo Urbano di Omologazione ECE. - Questo ciclo fa riferimento ad una procedura di prova per calcolare i
consumi di combustibile, in cui il veicolo è accelerato, frenato e lasciato girare a regime di rotazione minimo per
intervalli di tempo prestabiliti. Questa analisi permette di confrontare sullo stesso percorso auto diverse.
49. IMPIANTI CON MOTORI A COMBUSTIONE INTERNA (MCI)
VOLUMETRICI ALTERNATIVI (NAVI, VEICOLI)
E m i s s i o n i i n a t m o s f e r a d a i m p i a n t i d i
c o n v e r s i o n e d e l l ’ e n e r g i a
Motivi:
Per il CO i MCI sono responsabili di oltre il 40% del rilascio globale
nell’ambiente.
Anche la produzione di HC è rilevante (>40% tra Benzene e non-metanici
generici - come per il CO a seguito di problemi di incompleta combustione e di
cinetica delle reazioni relativamente lenta rispetto ai tempi limitatissimi
disponibili per il ciclo).
50. IMPIANTI CON MOTORI A COMBUSTIONE INTERNA (MCI)
VOLUMETRICI ALTERNATIVI (NAVI, VEICOLI)
E m i s s i o n i i n a t m o s f e r a d a i m p i a n t i d i
c o n v e r s i o n e d e l l ’ e n e r g i a
Motivi:
Per gli NOx la quota di produzione dei MCI è valutata superiore al 50% delle
immissioni totali nell’ambiente. Nel panorama attuale buona parte delle emissioni
sono legati ai motori diesel (automobili e veicoli commerciali pesanti + bus).
51. IMPIANTI CON MOTORI A COMBUSTIONE INTERNA (MCI)
VOLUMETRICI ALTERNATIVI (NAVI, VEICOLI)
E m i s s i o n i i n a t m o s f e r a d a i m p i a n t i d i
c o n v e r s i o n e d e l l ’ e n e r g i a
Motivi:
Per il particolato, particolarmente evidenti sono i problemi dei motori diesel, legati
in genere a non corretta manutenzione della pompa di iniezione e ad
atomizzazione insoddisfacente del combustibile.
Oggi si vanno diffondendo filtri specifici allo scarico (Trappole di particolato). Il
particolato emesso (in misura minore) dai MCI ad Acc. Comandata è peraltro più
insidioso, di granulometria più fine, meno evidente ma più tossico per la sua
capacità di adsorbire e trasportare microinquinanti nocivi.
52. IMPIANTI CON MOTORI A COMBUSTIONE INTERNA (MCI)
VOLUMETRICI ALTERNATIVI (NAVI, VEICOLI)
E m i s s i o n i i n a t m o s f e r a d a i m p i a n t i d i
c o n v e r s i o n e d e l l ’ e n e r g i a
Motivi:
I MCI sono responsabili di una serie molto ampia di microinquinanti, perlopiù HC di
catena benzenica, ma anche ammoniaca e diossine di elevata tossicità. Di nuovo,
i tempi limitati disponibili per la combustione e lo scarico pongono problemi molto
ardui per la possibilità sia di riduzione alla fonte, sia di trattamento dopo
l’emissione.
53. IMPIANTI CON MOTORI A COMBUSTIONE INTERNA (MCI)
VOLUMETRICI ALTERNATIVI (NAVI, VEICOLI)
E m i s s i o n i i n a t m o s f e r a d a i m p i a n t i d i
c o n v e r s i o n e d e l l ’ e n e r g i a
Soluzioni di trattamento:
• Per CO ed HC la soluzione - previa ottimizzazione dei parametri di gestione del
motore - è la rimozione catalitica in ambiente ossidante
• Una quota non trascurabile delle emissioni di HC non proviene dalla
combustione (es. vapori di olio dal carter motore; vapori di combustibile dalle
operazioni di rifornimento) ed il suo contenimento deve essere affrontato in
modo diverso dal trattamento delle emissioni allo scarico (es. riciclaggio vapori
del carter; ottimizzazione del sistema di distribuzione e rifornimento;…)
• Per gli NOx la soluzione di trattamento è ancora la rimozione catalitica, ma in
ambiente riducente. Ciò impone la necessità di una corretta gestione elettronica
del complesso catalizzatore/sistema di iniezione
54. FATTORI DI EMISSIONE
E m i s s i o n i i n a t m o s f e r a d a i m p i a n t i d i
c o n v e r s i o n e d e l l ’ e n e r g i a
55. FATTORI DI EMISSIONE
E m i s s i o n i i n a t m o s f e r a d a i m p i a n t i d i
c o n v e r s i o n e d e l l ’ e n e r g i a
I fattori di emissione legati a processi di combustione possono essere
indifferentemente espressi secondo le seguenti grandezze:
• Quantità di inquinante prodotto per unità di massa di combustibile
(es. g/tcombustibile)
• Quantità di inquinante prodotto per unità di energia di combustibile
(es. g/GJcombustibile)
• Quantità di inquinante prodotto per tonnellata di petrolio equivalente
(es. g/tep)
• Quantità di inquinante prodotto per unità di volume di fumi di
combustione, o concentrazione di inquinante
(es. g/Nm3
fumi)
• Quantità di inquinante prodotto nell’unità di tempo
(es. g/s)
• Quantità di inquinante prodotto per unità di energia prodotta
(es. g/kWh)
56. FATTORI DI EMISSIONE
E m i s s i o n i i n a t m o s f e r a d a i m p i a n t i d i
c o n v e r s i o n e d e l l ’ e n e r g i a
TEP (TOE) = Tonnellata
equivalente di petrolio
(total oil equivalent),
rappresenta la quantità
di energia rilasciata da
una tonnellata di petrolio
(1 TEP = 42 GJ).
57. CALCOLO DEL FATTORE DI EMISSIONE
- ANIDRIDE CARBONICA -
E m i s s i o n i i n a t m o s f e r a d a i m p i a n t i d i
c o n v e r s i o n e d e l l ’ e n e r g i a
Bilancio elementare della combustione del Carbonio:
58. CARATTERISTICHE DEI COMBUSTIBILI SOLIDI
E m i s s i o n i i n a t m o s f e r a d a i m p i a n t i d i
c o n v e r s i o n e d e l l ’ e n e r g i a
59. CARATTERISTICHE DEI COMBUSTIBILI LIQUIDI
E m i s s i o n i i n a t m o s f e r a d a i m p i a n t i d i
c o n v e r s i o n e d e l l ’ e n e r g i a
60. CARATTERISTICHE DEI COMBUSTIBILI GASSOSI
E m i s s i o n i i n a t m o s f e r a d a i m p i a n t i d i
c o n v e r s i o n e d e l l ’ e n e r g i a
61. FATTORI DI EMISSIONE CO2
E m i s s i o n i i n a t m o s f e r a d a i m p i a n t i d i
c o n v e r s i o n e d e l l ’ e n e r g i a
62. TECNICHE DI RIDUZIONE DELLE EMISSIONI DI CO2
E m i s s i o n i i n a t m o s f e r a d a i m p i a n t i d i
c o n v e r s i o n e d e l l ’ e n e r g i a
63. ESEMPI DI CALCOLO – FATTORI DI EMISSIONE CO2
CENTRALE TERMOELETTRICA A CARBONE
E m i s s i o n i i n a t m o s f e r a d a i m p i a n t i d i
c o n v e r s i o n e d e l l ’ e n e r g i a
• Uso di carbone con la composizione riportata in tabella
• Efficienza elettrica pari al 40%
• Potere Calorifico Inferiore pari a 31.000 kJ/kg
• Potenza netta centrale: 320 Mwe
• Ore di funzionamento annue: 7500 h/anno
64. ESEMPI DI CALCOLO – FATTORI DI EMISSIONE CO2
E m i s s i o n i i n a t m o s f e r a d a i m p i a n t i d i
c o n v e r s i o n e d e l l ’ e n e r g i a
0,845 kgC/kgf % massa C
31000 kJ/kgf Potere calorifico
3,67 kgCO2/kgCConversione C-CO2
0,4 Eta Rendimento 3600 kJ/kWh
320 Mwe Potenza elettrica Fattore conversione
800 MWT Potenza termica focolare
7500 h/anno Ore/anno funzionamento
25,81 kg/s f Portata combustibile
21,81 kg/s C Portata carbonio
79,96 kg/s CO2 287,85 t/h Emissioni assolute
2158838,71 T/a 2158838710 kg/a
2400000 MWh/a 2400000000 kWh/a
0,90 kg CO2/kWh
Emissione specifica: 899,52 gCO2/kWh
kgCO2/MWh
65. ESEMPIO DI CALCOLO DI EMISSIONI DI CO2
CICLO COMBINATO CON TG (320 MWE)
E m i s s i o n i i n a t m o s f e r a d a i m p i a n t i d i
c o n v e r s i o n e d e l l ’ e n e r g i a
• Gas naturale 90%
• Potere Calorifico Inferiore CH4 pari a 46.600 kJ/kg
• Rendimento = 56%
• Tempo di funzionamento: 8000 h/anno
66. ESEMPIO DI CALCOLO DI EMISSIONI DI CO2
CICLO COMBINATO CON TG (320 MWE)
E m i s s i o n i i n a t m o s f e r a d a i m p i a n t i d i
c o n v e r s i o n e d e l l ’ e n e r g i a
0,9 kgC/kgf % massa C
46600 kJ/kgf Potere calorifico inferiore
2,75 kgCO2/kgCH4 Conversione CH4-CO2
0,56 Eta Rendimento 3600 kJ/kWh
320 Mwe Potenza elettrica Fattore conversione
571,43 MWT Potenza termica camera combustione
8000 h/anno Ore/anno funzionamento
12,26 kg/s f Portata combustibile
11,04 kg/s C Portata metano
30,35 kg/s CO2 109,26 t/h Emissioni assolute
874064,99 T/a 874064991 kg/a
2560000 MWh/a 2560000000 kWh/a
0,34 kg CO2/kWh
Emissione specifica: 341,43 gCO2/kWh
kgCO2/MWh
67. ESEMPIO DI CALCOLO DI EMISSIONI DI CO2
TERMOVALORIZZATORE
E m i s s i o n i i n a t m o s f e r a d a i m p i a n t i d i
c o n v e r s i o n e d e l l ’ e n e r g i a
0,28 kgC/kgf % massa C
0,093 kgC/kgf % massa C NonRinn
10450 kJ/kgf Potere calorifico inferiore
0,22 Eta Rendimento 3600 kJ/kWh
15 Mwe Potenza elettrica Fattore conversione
3,666667 Rapporto kgCO2/kgC
68,18182 MWT Potenza termica focolare
8000 h/anno Ore/anno funzionamento
6,52 kg/s f Portata combustibile
68. ESEMPIO DI CALCOLO DI EMISSIONI DI CO2
TERMOVALORIZZATORE
E m i s s i o n i i n a t m o s f e r a d a i m p i a n t i d i
c o n v e r s i o n e d e l l ’ e n e r g i a
1,83 kg/s C Portata carbonio
6,70 kg/s CO2 24,11 t/h Emissioni assolute
192918,66 T/a 192918660 kg/a
120000 MWh/a 120000000 kWh/a
1,61 kg CO2/kWh
Emissione specifica: 1607,66 gCO2/kWh
kgCO2/MWh
0,61 kg/s C Portata carbonio Non Rinnovabile
2,22 kg/s CO2 8,01 t/h Emissioni assolute
64076,555 T/a 64076555 kg/a
120000 MWh/a 120000000 kWh/a
0,53 kg CO2/kWh
Emissione specifica: 533,97 gCO2/kWh
kgCO2/MWh
69. INVENTARI
E m i s s i o n i i n a t m o s f e r a d a i m p i a n t i d i
c o n v e r s i o n e d e l l ’ e n e r g i a
Per caratterizzare un processo con emissioni inquinanti in
atmosfera se non sono disponibili misure legate al
monitoraggio in continua della sorgente emissiva o a controlli
periodici effettuati dagli enti competenti (ARPA) si utilizzano
FATTORI DI EMISSIONE derivanti da INVENTARI
Un inventario di emissioni viene definito dal DM 20.05.91 come:
“una serie organizzata di dati relativi alla quantità di inquinanti introdotti
in atmosfera da sorgenti naturali e/o attività antropiche”
70. INVENTARI, QUALI APPLICAZIONI?
E m i s s i o n i i n a t m o s f e r a d a i m p i a n t i d i
c o n v e r s i o n e d e l l ’ e n e r g i a
• Fornire un supporto per la valutazione e la gestione della qualità
dell’aria ambiente (Dlgs 351/99 e DM 261/02)
• Permettere la stesura di mappe delle emissioni per la pianificazione
Territoriale
• Realizzare una banca dati a cui attingere per rispondere agli obblighi
normativi (convenzioni internazionali)
• Fornire i dati di input ai modelli matematici di dispersione e meteo
• Rendere possibile l’elaborazione di scenari di intervento al fine di
ridurre l’incidenza di uno o più inquinanti (accordi di programma
PM10)
71. INVENTARI – FINALITÁ
E m i s s i o n i i n a t m o s f e r a d a i m p i a n t i d i
c o n v e r s i o n e d e l l ’ e n e r g i a
72. INVENTARI
E m i s s i o n i i n a t m o s f e r a d a i m p i a n t i d i
c o n v e r s i o n e d e l l ’ e n e r g i a
INVENTARIO EUROPEO DELLE EMISSIONI
European Environment Agency EEA
EMEP / CORINAIR Emission Inventory Guidebook (2013)
http://www.eea.europa.eu/publications/emep-eea-guidebook-2013
INVENTARIO AMERICANO DELLE EMISSIONI
Environmental Protection Agency EPA
AP42, Fifth Edition – Compilation of Air Pullutant Emission Factors (2007)
http://www3.epa.gov/ttnchie1/ap42/
INVENTARIO REGIONALE DELLE EMISSIONI - Regione Toscana
Generalmente un inventario si intende localese l’entità territoriale o amministrativa a cui si riferisce la stima di emissioni è
subnazionale (scala regionale, provinciale, comunale)
IRSE – Inventario Regionale delle Sorgenti Emissive in aria ambiente
http://servizi2.regione.toscana.it/aria/
73. INVENTARI - CORINAIR
E m i s s i o n i i n a t m o s f e r a d a i m p i a n t i d i
c o n v e r s i o n e d e l l ’ e n e r g i a
74. INVENTARI – AP42
E m i s s i o n i i n a t m o s f e r a d a i m p i a n t i d i
c o n v e r s i o n e d e l l ’ e n e r g i a
75. INVENTARI – IRSE – REGIONE TOSCANA
E m i s s i o n i i n a t m o s f e r a d a i m p i a n t i d i
c o n v e r s i o n e d e l l ’ e n e r g i a
76. INVENTARI – IRSE – REGIONE TOSCANA
E m i s s i o n i i n a t m o s f e r a d a i m p i a n t i d i
c o n v e r s i o n e d e l l ’ e n e r g i a
77. INVENTARI – IRSE – REGIONE TOSCANA
E m i s s i o n i i n a t m o s f e r a d a i m p i a n t i d i
c o n v e r s i o n e d e l l ’ e n e r g i a
78. INVENTARI – IRSE – REGIONE TOSCANA
E m i s s i o n i i n a t m o s f e r a d a i m p i a n t i d i
c o n v e r s i o n e d e l l ’ e n e r g i a
79. INVENTARI – IRSE – REGIONE TOSCANA
E m i s s i o n i i n a t m o s f e r a d a i m p i a n t i d i
c o n v e r s i o n e d e l l ’ e n e r g i a
80. INVENTARI – IRSE – REGIONE TOSCANA
E m i s s i o n i i n a t m o s f e r a d a i m p i a n t i d i
c o n v e r s i o n e d e l l ’ e n e r g i a
81. CALCOLO EMISSIONI CO2 E NOX DA INVENTARIO EMEP
CENTRALE TERMOELETTRICA
E m i s s i o n i i n a t m o s f e r a d a i m p i a n t i d i
c o n v e r s i o n e d e l l ’ e n e r g i a
Un impianto termoelettrico produce una potenza elettrica P=160MW
Rendimento = 0,38;
Combustibile con frazione in massa di carbonio Xm C = 0,8
Potere calorifico inferiore PCI = 27000 kJ/kg.
Volume al camino di fumi secchi Vfs = 10 Nm3 /kg di combustibile bruciato
Il fattore di emissione di NO2 è fe NO2 =125 g/GJ di combustibile.
Calcolare:
• la portata di combustibile mf
• il fattore di emissione specifico di CO2 riferito all'unità di energia elettrica
prodotta (kg/MWh)
• la concentrazione di NO2 nei fumi di combustione in mg/Nm3
82. CALCOLO EMISSIONI CO2 E NOX DA INVENTARIO EMEP
CENTRALE TERMOELETTRICA
E m i s s i o n i i n a t m o s f e r a d a i m p i a n t i d i
c o n v e r s i o n e d e l l ’ e n e r g i a
• portata di combustibile mf:
mf = P [MW]*1000 [kW/MW]/( * PCI [kJ/kg]) = 15,6 kg/s
• il fattore di emissione specifico di CO2 riferito all'unità di energia elettrica
prodotta (kg/MWh)
fCO2 = Xm C * mf *(44/12 ) * 3600 /P = 1029 kg/MWh
- la concentrazione di NO2 nei fumi di combustione in mg/Nm3:
= 338 mg/Nm3
kgf
Nm
GJ
kJ
g
mg
kgf
kJ
GJ
g
PCI
V
f
X
fs
NOe
NO
31000000
1000**
2
2
