Tecnologie della combustione

Il laboratorio Processi per la combustione sostenibile svolge attività di R&D sulla combustione di combustibili fossili e idrogeno con l’obiettivo di sviluppare tecnologie impiantistiche innovative per la produzione di energia elettrica ad alta efficienza e ridotto impatto ambientale. L’innovazione riguarda sia la progettazione di nuovi processi termochimici di ossidazione (ad es. combustione MILD), sia l’utilizzo di nuovi combustibili come l’idrogeno o gas di sintesi a elevato tenore di idrogeno provenienti, ad esempio, dalla gassificazione del carbone.

Bruciatore “Trapped Vortex” di progettazione ENEA, operante in modalità di combustione MILD di syngas, per turbina a gas(ingrandisci)
Bruciatore “Trapped Vortex” di progettazione ENEA, operante in modalità di combustione MILD di syngas, per turbina a gas

Parallelamente il laboratorio punta allo sviluppo di sistemi di monitoraggio e controllo del processo di combustione per aumentare l’efficienza, l’affidabilità e la disponibilità degli impianti di produzione di energia elettrica. Per tutto ciò il laboratorio si avvale di competenze nel settore impiantistico, in quello della diagnostica sperimentale (Diagnostica laser e Sviluppo diagnostica avanzata) e della simulazione numerica (in particolare Large Eddy Simulation).

Fiamma premiscelata CH₄/Aria: isosuperfici di temperatura
Fiamma premiscelata CH₄/aria: isosuperfici di temperatura

Negli ultimi due anni il laboratorio ha anche acquisito sensibilità e competenza sulla tematica della flessibilità (di carico e di combustibile) nelle macchine turbogas. In tale contesto, uno dei temi di interesse per il laboratorio è quello delle instabilità (termo-acustiche) di combustione, note nel campo industriale come instabilità operative o “combustion dynamics”.
La tecnologia di combustione comunemente adottata nelle macchine turbogas è quella premiscelata magra (e prevaporizzata nel caso di combustibili liquidi) perché garantisce basse temperature di ingresso in turbina e bassi livelli di inquinanti. Tuttavia, essa tende a determinare instabilità termo-acustiche, anche dette operative per i loro dannosi effetti sull’operatività della macchina, la sua affidabilità e disponibilità. Queste instabilità consistono in fluttuazioni di pressione che derivano dall’accoppiamento tra le fluttuazioni del rilascio di calore e l’acustica del sistema. Possono indurre fenomeni di ritorno di fiamma ed estinzione, vibrazioni di elementi meccanici, e, nel caso peggiore, danneggiare la macchina.
Nel prossimo futuro si prevede che il problema delle instabilità termo-acustiche possa diventare ancor più importante fondamentalmente per due ordini di motivi: il primo legato all’aumento della flessibilità e variabilità del combustibile, dovuti al crescente interesse in combustibili alternativi (syngas, biogas, gas naturale liquido, shale gas) e alla crescente internazionalizzazione del commercio di gas naturale; il secondo, per il crescente bisogno di flessibilità di variazioni di carico nell’esercire i turbogas, imposto dal crescente uso di fonti rinnovabili nella rete elettrica.
Gli obiettivi che il laboratorio si propone per questo specifico tema di ricerca consistono nello studio dei meccanismi fisici delle instabilità di combustione, nella realizzazione di sensori e nello sviluppo di strategie di controllo che migliorino la flessibilità dei turbogas, sia di carico che di combustibili da bruciare.

Analisi dell’incipiente instaurarsi di condizioni di instabilità termo-fluidodinamica, in un bruciatore a fiamma premiscelata per turbina a gas, ottenuta mediante l’impiego di strumenti diagnostici di brevetto ENEA(ingrandisci)
Analisi dell’incipiente instaurarsi di condizioni di instabilità termo-fluidodinamica, in un bruciatore a fiamma premiscelata per turbina a gas, ottenuta mediante l’impiego di strumenti diagnostici di brevetto ENEA

Fra le principali attrezzature sperimentali di cui si avvale il laboratorio citiamo:

Impianto COMET-HP

L’impianto COMET-HP è una facility sperimentale specificatamente realizzata per lo studio dei processi di combustione in turbine a gas, con particolare riferimento allo studio delle cause che determinano l’insorgere di instabilità termo-acustiche in bruciatori di ultima generazione a fiamma premiscelata, alla relativa caratterizzazione, e allo sviluppo di sistemi diagnostici non invasivi e di metodologie di controllo avanzate, alternative alle attuali. L’impianto opera in condizioni di similitudine, a pressione massima di 7 bar, con preriscaldamento del comburente fino a 450 °C. La sezione di prova è in grado di ospitare bruciatori di potenza massima pari a circa 1 MWt (attualmente è installato un bruciatore ANSALDO Energia per turbina V64-3A), e prevede accessi ottici laterali in grado di consentire l’impiego di diagnostiche non invasive di tipo ottico e laser per misure di velocità, stabilità di combustione, temperatura e specie chimiche (sia stabili che “radicaliche”).

Sezione di prova dell’impianto COMET-HP per test sulla combustione premiscelata in turbo-gas, condotti in condizioni di similitudine (pressione e temperatura)(ingrandisci)
Sezione di prova dell’impianto COMET-HP per test sulla combustione premiscelata in turbo-gas, condotti in condizioni di similitudine (pressione e temperatura)

Impianto IDEA

’impianto IDEA è una facility sperimentale realizzata per condurre esperienze di base sulla combustione di syngas ricchi di idrogeno, fino ad idrogeno puro. L’impianto opera a pressione atmosferica e utilizza come comburente aria o ossigeno, eventualmente diluiti con vapore. La sezione di prova, verticale, può ospitare bruciatori di potenza massima pari a 100 kWt, e prevede accessi ottici laterali in grado di permettere l’impiego di diagnostiche non invasive di tipo ottico e laser per misure di velocità, stabilità di combustione, temperatura e specie chimiche (sia stabili che “radicaliche”). Gli studi hanno la finalità di sviluppare e mettere a punto soluzioni progettuali per una combustione stabile ed efficiente di combustibili a basso potere calorifico in volume, quali combustibili vari di opportunità o syngas provenienti dalla gassificazione del carbone, in turbine a gas.

Sezione di prova dell’impianto IDEA(ingrandisci)
Sezione di prova dell’impianto IDEA

Impianto MICOS

L’impianto MICOS è una facility sperimentale realizzata per lo sviluppo di bruciatori basati su tecnologia “Trapped Vortex”, destinati all’applicazione nel settore delle turbine a gas e dei sistemi a post-combustione, operanti con combustibili convenzionali o syngas, fino all’impiego di idrogeno puro. L’impianto opera a pressione atmosferica e utilizza come comburente aria preriscaldata o aria viziata (ottenuta cioè miscelando aria fresca con prodotti di combustione). La tecnologia “Trapped Vortex”, sperimentata sull’impianto, consiste nella realizzazione di un forte ricircolo di prodotti di combustione, ottenuto per via fluidodinamica, in zona primaria. L’effetto che si vuol realizzare è quello di ottenere una fiamma stabilmente ancorata, caratterizzata da basse perdite di carico, che brucia con un comburente caratterizzato da un tenore di ossigeno significativamente inferiore a quello stechiometrico dell’aria. Si realizzano in tal modo condizioni di combustione “flameless”, cioè caratterizzata da assenza del fronte di fiamma (bassissime emissioni di NOx), elevata stabilità e controllabilità, che rendono tecnologicamente compatibile anche la combustione di idrogeno puro nel rispetto degli stress termici ammissibili dai materiali. L’impianto ha una potenza nominale di 100 kWt, e può essere alimentato con gas naturale, idrogeno, miscele dei due o gas di sintesi a composizione variabile. In virtù della sua configurazione, può essere utilizzato anche come banco prova per applicazioni di post-combustione, ovverosia combustione di gas in corrente di gas esausti provenienti da una turbina a gas.

Particolare della sezione di prova dell’impianto MICOS
Particolare della sezione di prova dell’impianto MICOS

Sugli impianti citati vengono correntemente utilizzati dispositivi diagnostici avanzati, di brevetto ENEA (ODC) (link alla pagina “Sviluppo-diagnostica-avanzata-ODC” di questa sezione), volti alla caratterizzazione fluidodinamica e termica ad alta frequenza del processo di combustione, e al suo controllo.
L’attività di R&S sulla combustione rientra in programmi nazionali, finanziati dal Ministero dello Sviluppo Economico, e in collaborazioni che ENEA ha già avviato con la realtà industriale Italiana (ANSALDO ENERGIA in particolare) ed Europea (European Turbine Network) e con altri centri di ricerca internazionali (DLR, PSI).

Referente:

S. Giammartini,