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CCC/243

Il motore a iniezione diretta di carbonio

Kyle Nicol

Da oltre 120 anni vengono portati avanti studi sull’utilizzo del carbone per l’alimentazione di motori diesel da utilizzare negli ambiti della generazione di energia e del trasporto. Anche gli elevati costi dei combustibili petroliferi, decisamente maggiori rispetto a quelli del carbone, hanno contribuito a giustificare la ricerca in questo settore.

I primi studi risalenti al 1850 circa, sono stati condotti su motori di piccola taglia a combustione interna con cilindri di dimensione inferiore a 0,1MWth, utilizzando polverino di carbone (coal dust). Nel 1892 Rudolf Diesel progettò un motore diesel in grado di bruciare proprio polverino di carbone. La ricerca è stata seguita anche da Rudolf Pawlikowski che, insieme alla IG Farben Industrie, Schichau Werke, Brunenner Machinefabrik e Hanomag, ideò con successo 19 motori alimentati a polverino, in grado di raggiungere un’efficienza meccanica del 30%, circa il doppio di quello della forza vapore del tempo, e una vita media del motore pari a 12.000 ore.

Tutti questi studi misero in luce le principali problematiche legate all’uso del polverino di carbone: pericoloso da maneggiare, in quanto era in grado di provocare esplosioni in laboratorio; poteva causare seri problemi di usura oltre che di contaminazione con l’olio di lubrificazione; inoltre alcuni carboni, per poter essere utilizzati, dovevano subire un trattamento di essiccazione, con conseguente dispendio di energia.

Rudolph Diesel scoprì che era molto più facile bruciare i combustibili liquidi derivati dal petrolio a basso costo e inventò il motore diesel così come oggi lo conosciamo.

Intorno agli anni ’60 anche gli USA e l’Europa iniziarono a mostrare interesse per il carbone come combustibile. In particolare, le ricerche di laboratorio in USA e in Svizzera portarono allo studio del polverino di carbone sotto forma di impasto con acqua (slurry). Lo slurry poteva essere bruciato in modo più sicuro e, se usato direttamente nel motore, risultava più efficiente rispetto all’uso della polvere di carbone.

La miscela di acqua e carbone è conosciuta come coal water slurry (CWS) oppure coal water fuels (CWF), o ancora coal water mixtures (CWM).

Dalle varie prove eseguite, emerse che i CWF risultavano avere una combustione più efficiente e potevano essere lavati riducendo usura ed emissioni. Un ulteriore e importante punto a loro favore risiedeva nel fatto che non erano esplosivi, quindi risultavano più facilmente maneggiabili.

Malgrado i progressi compiuti, le ricerche furono abbandonate fino a quando il risollevarsi dei prezzi del petrolio nel 1970 rinnovò l’interesse nei motori diesel a carbone.

Tra il 1973 e il 1982, in Europa si iniziarono a testare miscele di carbone e gasolio su grandi motori diesel convenzionali a bassa velocità. I test non ebbero molto successo a causa dell’usura cronica degli iniettori, della scarsa atomizzazione e della seria usura del cilindro. Il carbone incombusto infatti contaminava la parete del cilindro aumentandone l’usura e bloccando le fasce elastiche.

Si osservò anche la formazione di agglomerati delle particelle di carbone nel gasolio, con conseguente basso valore di rendimento di combustione.

Negli stessi anni (1978), il Dipartimento dell’Energia degli Stati Uniti (US DOE) finanziò il 50% di un programma di ricerca e sviluppo sul motore diesel a carbone dal costo di 41,6 milioni di dollari. Il progetto si concluse nel 2004 e permise di dimostrare con successo e su larga scala l’uso del motore diesel a carbone in una locomotiva, e su piccola scala l’uso del motore per la generazione di energia.

Furono quindi affrontate e risolte alcune delle principali problematiche riscontrate con l’utilizzo di questo combustibile, tra cui l’erosione, la corrosione e il fouling (sporcamento).

Vennero quindi studiati e adottati alcuni metodi di tipo fisico e chimico per rimuovere i minerali dal carbone, principali responsabili dei problemi di usura e corrosione. Dall’applicazione dei metodi fisici era possibile ottenere CWF con il 2-3% di ceneri a basso costo e a basso impatto ambientale, mentre dall’applicazione dei metodi chimici si ottenevano CWF con solo lo 0.5% di ceneri, ma con costi maggiori e con il rischio che gli agenti chimici usati potessero contaminare il carbone.

Furono utilizzati specifici additivi chimici in grado di ridurre la viscosità e altri additivi stabilizzanti come lo Xanthan gum per lo stoccaggio a medio termine dei CWF (per lo stoccaggio a lungo termine era necessario una periodica miscelazione o agitazione).

Si riuscì inoltre ad adattare un motore diesel costruito con materiali più duri e uno specifico iniettore, in modo da minimizzare l’usura.

Durante il 1978-85, Cooper-Bessemer, General Electric (GE)e General Motors (GM) studiarono dei motori diesel monocilindrici a carbone.

Cooper-Bressemer condusse dimostrazioni su scala pilota su un motore a media velocità e quattro tempi per cogenerazione, GE e GM studiarono dei motori diesel a iniezione diretta, a media velocità, rispettivamente a quattro e due tempi, per il trasporto ferroviario. South West Research Institute (SWRI) USA, collaborò contemporaneamente con Cooper-Bessmer e GM.

Nel 1988 Cooper-Bessemer e GE ricevettero maggiori finanziamenti per dimostrare i loro risultati su larga scala: sia GE nel 1992 che Cooper-Bessemer nel 1993 dimostrarono la validità tecnica del motore diesel a carbone rispettivamente ad alta velocità con 12 cilindri e a media velocità a 6 cilindri.

L’istituto di ricerca del Sud West Virginia (SWRI) intraprese varie collaborazioni al fine di sviluppare un iniettore di carburante affidabile ( figura 6). Per una maggiore longevità, l’ugello fu realizzato in carburo di tungsteno (WC) e rivestito con nitruro di titanio (TiN). Anche l’inserto, sede della valvola a spillo, fu costruito in WC, mentre la valvola a spillo in acciaio ricoperto di WC. Fu ideata anche una valvola di non ritorno più affidabile, posizionata sul lato dell’iniettore, allo scopo di fornire all’iniettore un volume predeterminato di CWF per ogni ciclo.

Acqua o altri fluidi di pulizia furono utilizzati per lavare l’iniettore e prevenire la deposizione di carbone in caso di inutilizzo e spegnimento.

Anche la General Electric (GE) sviluppò un iniettore volumetrico azionato da un pistone libero. Il pistone era fatto interamente di WC e l’ugello, ri-progettato, era costituito da un alloggiamento in carburo in cui erano presenti degli orifizi diamantati (0,4 mm di diametro). Dalle prove effettuate risultò che tutti gli iniettori a pistone libero avevano un tempo di vita previsto di diverse migliaia di ore.

Nel 1987, GE sviluppò un iniettore accumulatore a controllo elettronico che utilizzava un pistone libero (figura 7). Questo iniettore aveva la più alta pressione di iniezione mai usata prima, pari a circa 80 MPa, ed era costituito da una valvola a solenoide azionata elettricamente per variare i tempi di iniezione e la durata, permettendo così il funzionamento ottimizzato di tutti i carichi del motore. Questo programma di ricerca e sviluppo dimostrò che era più efficace alimentare il motore con carbone in forma liquida che come polverino.

Dopo circa 1200 ore di test accumulate nel motore Cooper-Bessemer, 200 ore nel motore GE e 100 ore in quello SWRI-Detroit Diesel (motore ad alta velocità, due tempi), sono stati progettati motori a media velocità (400-1000 rpm), motori a due tempi, a quattro tempi e modelli provvisori ad alta velocità (1900 rpm). Venne osservato che il consumo specifico di carburante era paragonabile sia che si usassero i CWF che il gasolio, indistintamente per i motori a quattro tempi e per i test di dimostrazione su larga scala.

Dal programma US DOE si evinse inoltre che i componenti principali da modificare per bruciare i CWF nei motori diesel erano il sistema di alimentazione, le scanalature delle fasce elastiche e rivestimenti dei cilindri.

Ma, nonostante tutti i traguardi raggiunti, intorno al 2000 il prezzo di carburanti petroliferi diminuì notevolmente e il carbone non poté più competere con il diesel. Di conseguenza anche l’interesse commerciale svanì, e il programma di R&D venne fermato.

Negli ultimi anni si è rinnovato l’interesse per la commercializzazione di motori diesel a carbone. Non solo a causa del rialzo dei prezzi di gas e petrolio, ma soprattutto per l’entrata in vigore di normative sempre più restrittive su ambiente ed energia, che hanno reso necessario sviluppare sistemi sempre più flessibili per la produzione di energia sicura e pulita (soprattutto la capacità di un rapido start&stop, così come veloci accelerate, con minori costi complessivi per la cattura del carbonio rispetto alle tecnologie convenzionali di generazione di energia).

Tale evoluzione è stata favorita dai numerosi progressi compiuti nella lavorazione del carbone e da nuove tecnologie apportate al motore diesel (come il controllo elettronico e cilindri più grandi).

I progressi tecnici a cui si fa riferimento, alcuni dei quali apportati dal programma di ricerca e sviluppo del US DOE, riguardano principalmente la disponibilità di mulini grandi ed efficienti per la produzione di carbone micronizzato, lo sviluppo di flottazione con schiuma, la disponibilità di motori diesel a basso costo più grandi, la gestione elettronica del motore e i nuovi materiali di costruzione.

Nel 2008, la Commonwealth Scientific and Industrial Research Organisation (CSIRO) in Australia diede inizio ad una serie di esperimenti di laboratorio per rilanciare lo sviluppo del motore diesel a carbone. La loro ricerca si focalizzò principalmente sulla produzione di carboni raffinati micronizzati (MRC) più fini e puliti per produrre combustibili di qualità superiore rispetto al CWF, ottenibili da diverse tipologie di carbone, da utilizzare in motori diesel a bassa e media velocità (<500 rpm), noti come motori a iniezione diretta di carbonio (DICE: Direct Injection Carbon Engine).

Le ricerche coinvolsero lo studio di motori a due tempi e dei motori a quattro tempi. Il MRC può essere fatto da carboni di alto e basso rango (High Rank Coal e Low Rank Coal ), sterili di carbone, biomassa e biochar (carbone di legna ottenuto dalla pirolisi della biomassa). I LRC e la biomassa possono subire trattamenti idrotermici (HTD) per migliorare la loro densità di energia. Le prove di laboratorio eseguite su carboni MRC di alta qualità (HRC), come carboni bituminosi e antracite, e carbone MRC di bassa qualità (LRC), quali lignite e carboni bituminosi, ebbero un discreto successo.

Nel 2012 è stato stimato che le riserve globali di lignite economicamente estraibili sono circa 283 Gt e le risorse circa 4164 Gt. Attualmente, le regioni con le maggiori risorse di lignite economicamente estraibili sono gli Stati Uniti (32,8%, 1.368 Gt), la Russia (30,5%) e la Cina (7,4%). Poiché le riserve e le risorse di lignite sono così grandi, i potenziali vantaggi di utilizzare i LRC a basso costo per creare MRC sono significativi. Ignite Energy Resources, Exergen, JGC Corporation, Xstrata Tecnologia; Yancoal e Intertech sono tutti produttori di MRC su scala pilota, i primi tre utilizzando anche trattamenti idrotermici HTD.

L’utilizzo di cilindri di maggiori dimensioni aumenta la tolleranza di MRC di bassa qualità, di conseguenza i DICE verranno dotati di cilindri da 1-5 MWth, come i grandi motori a due tempi utilizzati sulle grandi navi.

Il DICE è basato sulla tecnologia sviluppata dal programma statunitense DOE sul motore a carbone. I motori DICE commerciali alimentati a LRC-MRC potrebbero favorire l’esportazione delle vaste risorse di carbone a basso rango dell’Australia, così come la creazione di nuove industrie e l’utilizzo di una tecnologia adatta a sostituire il vecchio parco di impianti di combustione del carbone polverizzato (PCC) australiano. Il LRC-MRC potrebbe essere trasportato sotto forma di pasta per minimizzare i costi di trasporto e il rischio di esplosione/incendio. Le analisi economiche condotte da CSIRO, ANLEC R & S e MAN D & T sono risultate favorevoli per le applicazioni di generazione di potenza.

L’analisi economica provvisoria condotta da CSIRO ha stimato che il MRC-DICE diventa più competitivo rispetto al gas quando i prezzi del gas naturale superano i 6-7 A$/GJ.

Se le tecnologie MRC-DICE fossero disponibili in commercio, in Australia orientale, Cina, Europa, Giappone e Corea c’è già un mercato per loro. I prezzi del gas stimati nel 2020 fanno prevedere che in quelle regioni il MRC-DICE sarà competitivo con il gas, nell’ipotesi che tale tecnologia venga commercializzata.

Nei primi mesi del 2014, Jeffery (2014) è stato assunto dal Australian National Low Emissions Coal Research and Development (ANLEC R&D) per condurre un’analisi tecnico-economica preliminare sul MRC-DICE al fine di quantificare il numero di ore di funzionamento prima di una manutenzione importante, tale da risultare competitivo con le altre tecnologie di generazione di energia. Il risultato ha fornito le informazioni necessarie agli investitori per supportare il MRC-DICE e fissare gli obiettivi per un nuovo programma di ricerca e sviluppo.

Sono stati modellati vari scenari al fine di trovare potenziali mercati per il MRC-DICE. Nelle assunzioni fatte è stato tenuto in grande considerazione il fatto che le emissioni di CO2 vengono tassate a 33 A$/t, e che DICE ha le stesse prestazioni e costi di un motore diesel commerciale. Tutti i costi sono basati su stime del 2013 e valori attuali e sono proiettati nel corso di un ciclo di vita di 10 anni.

MAN D&T, il più grande produttore di motori diesel al mondo, ha assunto un ruolo di leadership nello sviluppo di DICE. Nel 2011, CSIRO e MAN D & T hanno costituito un consorzio internazionale di sedici aziende e messo a punto un programma per convalidare e limitare il rischio della tecnologia MRC-DICE testando MRC in diversi motori. Il consorzio, noto come DICEnet, è composto da MAN D & T, RWE Power della Germania; JGC Corporation of Japan, Sinarmas dell’ Indonesia; Exergen, IER, Energy Australia, AGL, TRUenergy, Newcrest, Yancoal, BCIA and CSIRO of Australia; GHD, Worley Parsons, XT and Australian Coal Association – Low Emission Technologies (ACALET).

Ulteriori dettagli sulla DICEnet sono disponibili su: http://www.dice-net.org/

Nel 2014 la MAN Diesel & Turbo ha iniziato la pianificazione di un DICE su scala pilota da 1 MWe in un centro di ricerca in Giappone.

Contemporaneamente alla convalida sul motore pilota verrà sviluppato un ulteriore lavoro sulle componenti del motore. MAN D & T stimano che ci vorrà circa un anno per perfezionare il sistema di erogazione del carburante e di progettazione del motore. Il sistema di erogazione del carburante MRC si baserà sul nuovo sistema distribuzione di combustibile con metanolo ideato della MAN D & T che ha requisiti simili al MRC. Inoltre, è molto probabile che durante i test su scala pilota verranno eseguiti un’analisi economica accurata; una revisione del rischio con una serie di attività che apporteranno valore al prodotto finale; uno sviluppo del ciclo del combustibile MRC, che include il superamento delle barriere logistiche e l’istituzione di norme internazionali sul trasporto e l’immagazzinamento del MRC; e lo sviluppo di un piano di commercializzazione MRC-DICE. Si prevede che le ricerche sull’impianto pilota finiscano nel 2017.

La dimostrazione su larga scala del MRC-DICE dovrà validare sia i cicli di preparazione del combustibile che le prestazioni dei singoli componenti del motore. Si stima che ci vogliano 2-4 anni per progettare e sviluppare componenti e sistemi rilevanti per un motore prototipo. Sarà necessario il funzionamento su scala dimostrativa della produzione di MRC con 8000 ore di funzionamento del prototipo. Da 8000 ore di funzionamento si potranno stabilire varie informazioni quali ad esempio la durata delle prestazioni dei singoli componenti del motore e verrà fornita una base per le garanzie di esecuzione. È previsto che tale operazione richiederà altri 2-4 anni. I potenziali siti in cui costruire l’impianto di dimostrazione sono l’Australia, la Germania, Indonesia e India. Il costo dell’impianto dimostrativo potrebbe essere dell’ordine di 40-80 milioni di A$.

Se i test su larga scala avranno successo, potrebbe iniziare nel 2025 la costruzione di DICE commerciali da 50-100 MWe. È possibile anche che vengano utilizzati motori a quattro tempi con costi stimati di capitale per circa 1,2 milioni di A$/MWe per piccole applicazioni. I motori a due tempi, più grandi, più efficienti e che richiedono meno manutenzione, hanno invece costi di capitale più elevati, circa 2 milioni di A$/MWe.

I motori diesel a carbone non sono una novità: il concetto di bruciare carbone lavato e miscelato con acqua in slurry in un motore diesel adattato è stato tecnicamente dimostrato negli Stati Uniti su scala pilota e per un breve periodo su larga scala. Tuttavia, è necessario che venga effettuata una dimostrazione su larga scala sia del motore DICE che del ciclo del combustibile MRC prima che tale tecnologia possa essere commercializzata. AMas/GCau

Il rapporto originale è consultabile gratuitamente, previa registrazione, all’indirizzo:
http://www.iea-coal.org.uk/site/2010/publications-section/reports