Nell’ambito della Ricerca di Sistema sulla “Evoluzione innovativa della generazione di energia elettrica” (Progetto EVINGEN), in particolare nel sottoprogetto GENIN (Tecnologie innovative di generazione), è stata condotta in collaborazione con il Consorzio Milano Ricerche un’attività sulla definizione di un sistema sperimentale per lo studio della combustione catalitica del metano mediante l’esame critico delle principali esperienze avviate a livello internazionale e tenendo conto delle indicazioni della progettazione di massima eseguita dal CESI e illustrata nel rapporto CESI EVINGEN/GENIN/2001/18 “Combustione catalitica in turbine a gas: inquadramento della tecnologia e progetto di massima dell’impianto sperimentale per la combustione del metano” del giugno 2001, dove viene esaminata una prima ipotesi di lavoro da sottoporre ad un successivo raffinamento in base alla funzionalità dei componenti, alla loro ridondanza e agli oneri economici. I risultati di questa collaborazione, che aveva lo scopo di acquisire ulteriori elementi utili per la progettazione esecutiva di un impianto prototipo da utilizzare anche per la qualifica di sistemi catalitici industriali, sono riportati nell’allegato 1. Dall’esame complessivo dei risultati ottenuti è confermata la soluzione impiantistica scelta dal CESI e nello stesso tempo sono stati acquisiti elementi utili per arrivare ad una semplificazione significativa e per contenere gli oneri economici derivanti dalla realizzazione dell’impianto prototipo. Si ritiene pertanto interessante riassumere brevemente il contenuto tecnico della collaborazione con riferimento ai punti di maggiore interesse. È tuttavia opportuno precisare che si è preferito prendere in considerazione solamente le applicazioni sperimentali dove era stato possibile integrare le conoscenze acquisite dall’esame della letteratura specializzata con esperienze più dirette maturate attraverso la partecipazione a programmi internazionali o l’avvio di collaborazioni specifiche. Ciò spiega perché con riferimento alla situazione internazionale sulle iniziative di verifica della maturità industriale della tecnologia della combustione catalitica per la generazione di energia elettrica con turbine a gas siano state esaminate in modo approfondito solamente le attività sperimentali in corso presso l’istituto svedese Kuningla Tekniska Högskolan (KTH) di Stoccolma e l’Alstom Power di Baden in Svizzera, tenendo presente che il CESI e il Politecnico di Milano avevano concordato, come riportato nel rapporto CESI EMICO/GEN02/011 “Indagine sull’applicabilità della combustione catalitica del metano in turbine a gas industriali” del luglio 2000, che l’impianto di tipo modulare avesse una potenza termica nominale di circa 200 kW e fosse in grado di operare alla pressione massima di 15 atm con i valori della portata dell’aria e del combustibile rispettivamente di 10 e 0.3 Nm3min−1. Si era inoltre convenuto che il compressore e il sistema di preriscaldamento dei gas di processo avrebbero dovuto assicurare che la loro temperatura all’ingresso del combustore catalitico avesse un valore compreso tra 400 e 500 °C. Le attività precedenti sono state prese in considerazione perché sia KTH che Alstom dispongono di due impianti in grado di operare in condizioni pressurizzate e con una potenza significativa per quanto riguarda

la valutazione della maturità industriale del combustore catalitico e la funzionalità e l’affidabilità del componente dove avviene la combustione in fase omogenea. Va comunque sottolineato che, contrariamente alla posizione attuale del CESI focalizzata sull’impiego del metano, KTH è orientata prevalentemente alla combustione catalitica di un combustibile ottenuto dalla gassificazione delle biomasse. L’impiego della combustione catalitica ai combustibili alternativi a quelli fossili e caratterizzati da un valore relativamente basso del potere calorifico inferiore risponde prevalentemente all’esigenza di assicurare la stabilità del processo e di contenere efficacemente l’emissione degli ossidi di azoto migliorando la selettività del catalizzatore per quanto riguarda la formazione di N2. L’ultima osservazione è una conseguenza diretta del fatto che nella miscela gassosa ottenuta dalla gassificazione delle biomasse sono presenti dei composti contenenti azoto come, ad esempio, NH3 la cui concentrazione presenta generalmente valori variabili tra 0 e 3000 ppm in volume. Va anche rilevato che la presenza di H2S, con valori della concentrazione sino a 100 ppm in volume, può avere un ruolo importante sulla durabilità del combustore catalitico. Infine occorre ricordare che la combustione catalitica del combustibile derivato dalla gassificazione delle biomasse ha una temperatura di innesco inferiore a quella del metano come conseguenza del contenuto di CO e di H2. L’attività dell’Alstom è invece indirizzata allo sviluppo di combustori catalitici per turbine a gas alimentate con gas naturale, anche se in questa fase si è concentrata sull’impiego del metano o di miscele sintetiche la cui composizione chimica simula quella del gas naturale. La potenza termica nominale dell’impianto dell’Alstom, che è stato progettato per operare con un valore massimo della pressione di 35 atm, è di 300 kW. Occorre tuttavia precisare che il ricorso ad un combustibile sintetico non costituisce affatto una limitazione dell’attività sperimentale in quanto è una scelta obbligata quando si è interessati a valutare l’influenza di alcune specie inquinanti come, ad esempio, i composti solforati sull’efficienza e sulla durabilità del combustore catalitico e a definire dei criteri oggettivi per l’impiego del gas naturale indipendentemente dalla sua provenienza. L’accessibilità ai dati resi disponibili da KTH e Alstom è stata molto utile perché ha consentito di avere delle informazioni attendibili sull’affidabilità dei componenti e sui criteri da adottare per la progettazione esecutiva di una infrastruttura il cui scopo è di simulare il più realisticamente possibile le condizioni operative di una turbina a gas e le modalità di avviamento. Va comunque segnalato che la criticità di alcuni componenti è stata rilevata dopo la realizzazione dell’impianto prototipo e l’esecuzione di prove specifiche. L’indagine ha evidenziato che i componenti principali su cui deve essere maggiormente focalizzata l’attenzione del progettista sono: • il sistema di alimentazione e di regolazione delle portate dell’aria e del combustibile; • il sistema di preriscaldamento dei gas di processo prima del loro ingresso nel combustore catalitico; • il sistema di iniezione del combustibile nel comburente e quello di miscelamento che deve assicurare una composizione pressoché omogenea del fluido di processo su tutta la sezione trasversale lungo il combustore catalitico in modo da evitare che si possano verificare dei ritorni di fiamma;

• il letto catalitico con particolare riferimento al suo isolamento termico dall’ambiente esterno perché il processo possa svolgersi in condizioni adiabatiche. Va infine segnalato che è opportuno scegliere in modo oculato il sistema di campionamento e di analisi dei gas di processo all’uscita del letto catalitico e del combustore per avere la certezza che il processo avvenga secondo le procedure previste e che le emissioni inquinanti siano effettivamente inferiori a quelle che si osservano con l’impiego delle tecnologie convenzionali più evolute. È inoltre indispensabile prevedere l’impiego della strumentazione indispensabile per il monitoraggio delle grandezze più significative che concorrono a determinare il funzionamento complessivo dell’impianto. Dall’insieme delle informazioni ottenute nell’ambito dell’attività svolta avvalendosi del supporto del Consorzio Milano Ricerche emerge quindi chiaramente l’utilità di stabilire dei contatti costruttivi con alcuni degli organismi attivi nel campo della combustione catalitica per la produzione di energia elettrica allo scopo di acquisire delle conoscenze più dettagliate sulle problematiche inerenti alla progettazione e alla conduzione di un impianto prototipo e per avviare eventualmente una collaborazione finalizzata allo sviluppo e alla qualifica industriale della tecnologia della combustione catalitica.