Nell’ambito del sottoprogetto “Cicli combinati a gas ad alta efficienza e basse emissioni” (GEN21-GAS) facente parte del progetto "Una generazione sostenibile di energia elettrica per il XXI secolo" (GEN 21) si è ritenuto interessante svolgere un’attività finalizzata all’integrazione in una microturbina del tipo CHP oppure CCHP di un combustore catalitico alimentato con gas naturale per migliorare la sua compatibilità ambientale riducendo significativamente l’emissione degli NO x . L’attività è stata svolta in collaborazione con Precision Combustion, Inc., che è una società all’avanguardia nella progettazione e nella realizzazione di reattori catalitici per applicazioni in diversi settori industriali e che nell’ambito del programma Small Business Innovation Research, coordinato dal DoE, ha sviluppato il combustore catalitico RCL TM per la stabilizzazione della combustione magra premiscelata. Lo studio di fattibilità effettuato da PCI si applica, in linea di principio, a una microturbina alimentata con gas naturale che opera con un valore del rapporto di pressione intorno a 4, poiché i compressori sono del tipo a flusso radiale e ad uno stadio, e eroga una potenza elettrica lorda inferiore a 100 kW. È stato inoltre assunto dopo una simulazione preliminare del funzionamento della microturbina C60 che il valore della temperatura dei gas combusti all’uscita del combustore tradizionale sia inferiore a 1000 °C e che all’ingresso del recuperatore esso possa variare da 600 a 700 °C. Attualmente il valore della temperatura dei gas combusti all’ingresso della turbina è limitato dal fatto che le palette non sono né raffreddate, né rivestite da barriere termiche. Con riferimento a queste condizioni operative e alle caratteristiche del combustore RCL è lecito affermare che, essendo il valore della temperatura dell’aria all’uscita del recuperatore compreso tra 500 e 600 °C, non esista alcun ostacolo all’innesco della combustione catalitica del metano e allo svolgimento regolare del processo. Va anche segnalato che la temperatura superficiale del combustore RCL, il cui valore è comunque minore di 780 °C, risulta praticamente indipendente dal rapporto aria/combustibile. La stabilità della temperatura superficiale del reattore catalitico permette, ad esempio, di operare in condizioni di sicurezza con valori della temperatura della fiamma adiabatica nella zona della combustione primaria compresi tra 1440 e 1700 °C. È stata data una risposta molto soddisfacente agli obiettivi principali dello studio di fattibilità che erano: 1. verifica della possibilità di integrare un combustore catalitico RCL nella microturbina Capstone C60 da 60 kW; 2. identificazione delle modifiche da apportare alla macchina precedente per l’installazione del combustore catalitico. L’esame delle modifiche comprendeva anche l’impiego di un preriscaldatore per raggiungere la temperatura di ignizione del metano all’ingresso del letto catalitico; 3. valutazione dell’eventuale variazione dell’efficienza della microturbina indotta dall’integrazione del combustore catalitico con particolare riferimento alla caduta della pressione della miscela gassosa indotta dal suo attraversamento; 4. considerazioni sulla compatibilità ambientale della macchina modificata e sulla durabilità del combustore catalitico prendendo come riferimento 200 cicli di avvii e fermate per anno. Per quanto riguarda la durabilità del catalizzatore i dati attualmente disponibili indicano che la combinazione washcoat/substrato metallico ha una elevata resistenza alla delaminazione causata dagli shock termici. Questa osservazione induce a ritenere che il reattore catalitico RCL possa sopportare un numero di cicli superiore a quello preventivato.

Lo studio di fattibilità relativo alla microturbina C60, effettuato sulla base delle informazioni attualmente disponibili, ha evidenziato che l’integrazione del combustore catalitico impone delle modifiche di lieve entità che riguardano essenzialmente la sostituzione degli iniettori standard, che hanno indicativamente un diametro di 7.62 cm e una lunghezza massima di 12.7 cm, con quelli specifici per il nuovo componente, utilizzando però le stesse porte di iniezione. I nuovi iniettori sono leggermente più lunghi di quelli da sostituire e necessitano quindi di uno spazio aggiuntivo all’interno del cabinet. Va però precisato che l’esecuzione di un progetto più dettagliato richiede la conoscenza delle caratteristiche tecniche del casing della turbina, il cui diametro ha un valore stimato di 43.18 cm, e del combustore anulare il cui diametro esterno è di circa 27.94 cm, mentre quello interno è stato stimato in 12.07 cm. Il combustore standard non deve essere sostituito. È stato inoltre valutato che, mantenendo le condizioni operative di progetto della microturbina C60, l’impiego di due combustori RCL con un diametro leggermente inferiore a 5.08 cm consenta di esercire il sistema catalitico con una caduta della pressione inferiore al 2%. La lunghezza totale di un reattore catalitico, che include anche le funzioni di mescolamento delle due correnti gassose, è di circa 25.4 cm. I valori attesi delle emissioni degli NO x e del CO riferiti al 15% di O 2 , assumendo un valore della temperatura di fiamma adiabatica di 1450 °C e un tempo di transito della camera di combustione di 25 ms, sono inferiori rispettivamente a 3 e 9 ppm. Il risultato più interessante dello studio di fattibilità è che il combustore RCL può essere integrato in una microturbina C60 senza ridurre le sue prestazioni e permettendo nello stesso tempo di migliorare la sua compatibilità ambientale. Va anche segnalato che le condizioni operative assicurano il suo esercizio in sicurezza perché gli eventi dell’autoignizione del metano e del ritorno di fiamma hanno una probabilità trascurabile. La temperatura moderata delle superfici catalitiche e l’ambiente ricco di combustibile sono infine due fattori che concorrono a determinare una vita operativa abbastanza lunga. Per completezza si è ritenuto utile fornire delle informazioni sintetiche relative alla maturità industriale delle microturbine nella configurazione CHP e al programma AMTS coordinato dal DoE e finalizzato allo sviluppo di sistemi più efficienti e economici. In particolare si è giudicato interessante esaminare i risultati emersi dall’esercizio di due microturbine C60-ICHP della Capstone installate presso l’Hotel Radisson di Santa Maria (California) e passare rapidamente in rassegna la situazione italiana dove l’ENEL ha avviato un’attività commerciale ispirandosi al modello ESCO. È stata inoltre richiamata l’attenzione sul fatto che i risultati dell’analisi costi-benefici ottenuti ipotizzando l’installazione di una microturbina da 270 kW in una regione della California indichino che il ritorno dell’investimento avvenga indicativamente nel giro di 5 anni. Per documentare la compatibilità ambientale di questi sistemi di generazione dell’energia elettrica è stata esaminata la certificazione di una microturbina C60 della Capstone installata presso il supermercato Waldbaums di Hauppauge e operante nella configurazione CHP. I risultati delle prove di certificazione hanno mostrato che a pieno carico l’emissione degli NO x è di 0.068 g/kW, mentre quella associata alla produzione elettrica con impianti di grossa taglia ha un valore medio di 1.09 g/kW. L’impiego di una microturbina C60 consente quindi di ridurre la produzione annuale degli NO x di 5 1083.4 × g. Parallelamente la produzione complessiva di CO 2 si riduce di 8 1049.1 × g. Infine sono state riportate alcune informazioni sul combustore RCL TM ed è stato evidenziato come il suo impiego consenta di miscelare una corrente di ossidante con una miscela combustibile-comburente senza che si sviluppi il fenomeno della combustione spontanea del metano. La tecnologia RCL ha la potenzialità di ridurre il livello degli NO x nei gas combusti a 3 ppm, mentre il valore della concentrazione del CO è minore di 10 ppm.