Sulla determinazione dell'angolo ottimale di accensione per motori alimentati a gas di sintesi a basso potere calorifico

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Una delle piø promettenti fonti energetiche rinnovabili sono le biomasse agricole, forestali e 
residuali che possono essere impiegati in sostituzione di combustibili fossili, a fronte di un 
bilancio globale di CO2  pressochØ  nullo; nella fase di combustione infatti viene rilasciata in 
atmosfera una determinata quantit  di anidride carbonica, la stessa assorbita per la crescita 
dalle piante utilizzate nei vari processi.                                                                                                                                                                                                                                                                                      
L attivit  di ricerca oggetto della seguente tesi Ł stata condotta nell ambito del laboratorio  
ENERPOL (Energy from Residual Permanent Observatory and Laboratoty) progetto 
congiunto tra il Dipartimento di Ingegneria Industriale, la societ  di ingegneria Tecnocentro 
Eng. Srl, l Istituto di Ricerca sui Materiali ISRIM scrl e Bio-net Srl quest ultima spin off 
dell universit  di Perugia, ubicato presso il polo scientifico e didattico di Terni. In tale 
contesto Ł stato costruito un impianto per  la produzione di energia elettrica e termica da 
biomassa su piccola-scala che sfrutta il processo di pirolisi, che come noto Ł una 
degradazione termica in assenza di ossigeno da cui si ottengono, in diverse percentuali e 
caratteristiche, i seguenti  prodotti finali: residui solidi carboniosi (Char), gas combustibile 
(Syngas) e liquido catramoso (Tar). La tecnologia IPRP (Integrated Pyrolysis Regenerated 
Plant) su cui si basa l impianto pilota Ł stata sviluppata presso l Universit  degli studi di 
Perugia e prevede attualmente l utilizzo del syngas  in una microturbina alimentata con i gas 
trattati provenienti dalla pirolisi. Il char prodotto viene reimpiegato per fornire calore al 
reattore di pirolisi.                             
Con il presente lavoro di tesi si Ł svolta un attivit  di ricerca indirizzata allo studio del 
comportamento dei motori a combustione interna alimentati con gas poveri provenienti dai 
processi di pirolisi. ¨ infatti interessante valutare la possibilit  di sostituire la turbina con un 
motore a combustione interna, soprattutto nelle applicazioni su piccola scaladove la 
flessibilit  economica Ł piø a rischio. Le criticit  derivano dalla combustione di miscele 
gassose e la loro corretta gestione del sistema di controllo e regolazione, saranno gli 
argomenti affrontati nel presente lavoro. E  stata condotta un analisi delle attuali conoscenze 
tecnologiche riguardanti la combustione di miscele gassose provenienti da processi di 
piroscissione all interno di motori ad accensione comandata, con lo scopo di raccogliere 
informazioni sull attuale stato dell arte di questa tecnologia. Da qui si Ł passati 
all elaborazione delle informazioni raccolte ed allo svolgimento di una attivit  numerica 
attraverso sistemi di analisi numerica computazionale CFD per simulare la combustione del 
syngas all interno di un MCI normalmente alimentato a gas metano. 
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 Dall analisi dei risultati ottenuti si Ł proseguito con la realizzazione di un modello 
matematico in grado di superare gli ostacoli che si incontrano nell adozione degli MCI 
alimentati a gas di pirolisi. In particolare si Ł realizzato un potenziale sistema di gestione 
dell anticipo all accensione del motore in funzione della composizione del gas di 
alimentazione per massimizzare lo sfruttamento del potenziale energetico del combustibile.   
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
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Capitolo 1 
La situazione energetica mondiale 
 
1.1 Le richieste di energia 
 
L incremento della popolazione mondiale, il bisogno di migliorare gli standard di vita dei 
paesi industrializzati e dei piø poveri (ancora oggi ci sono circa 1,6 miliardi di persone senza 
accesso all elettricit ), uniti alla continua crescita dell attivit  economica e quindi dei 
consumi,  hanno determinato un significativo incremento della domanda di energia a livello 
globale. L’attuale sistema energetico Ł essenzialmente basato sulle fonti primarie di origine 
fossile, cioŁ costituite da riserve di combustibili formatisi in milioni di anni nel corso 
dell’evoluzione del nostro pianeta e che si sono conservati nelle profondit  della crosta 
terrestre. Tali riserve soddisfano, secondo la Statistical Review of World Energy[1], l’ 83% 
dell’attuale fabbisogno energetico globale e sono costituite essenzialmente da petrolio, 
carbone e gas naturale, un altro 6% circa Ł coperto da materiale fissile (essenzialmente 
uranio 235, ricavato dall’uranio naturale) utilizzato in centrali nucleari. Quindi, circa il 90% 
del fabbisogno energetico globale Ł da attribuirsi a fonti primarie esauribili, poco piø del 
10% invece a fonti di energia rinnovabili: idroelettrico circa 6%, biomasse, geotermico ed 
eolico assieme coprono il 5% circa. La ripartizione geografica dei consumi mondiali mostra 
un sempre minore peso relativo dei consumi in aree come il Nord America e l Europa 
(inclusa la Russia) a fronte di una crescita assoluta e relativa di tutte le altre aree ed in 
particolare dell Asia (la Cina nel 2007 ha quasi raddoppiato i consumi del 2000, superando i 
consumi totali della UE e si avvia a superare anche gli Stati Uniti). 
L attuale distribuzione geografica delle risorse mostra che oltre il 61% delle riserve accertate 
di petrolio Ł concentrato in Medio Oriente, mentre Russia e Medio Oriente soddisfano circa 
il 40% del fabbisogno mondiale di gas naturale. 
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 Petrolio 
(MTep) 
Metano  
(MTep) 
Carbone  
(MTep) 
Nucleare 
(Mtep) 
Idroel. 
(MTep) 
Totale 
(MTep) 
Nord 
America 1133 697 614 209 150 2801 
Centro-Sud 
America 223 112 21 4 142 501 
Italia 86 71 17 - 10 184 
Europa- 
Eurasia 963 1010 537 286 187 2984 
Medio-
oriente 
271 226 9 - 4 510 
Africa 129 64 100 3 20 316 
Asia Pacifico 1117 366 1648 125 167 3424 
Totale 
consumi 3837 2475 2930 627 669 10537 
 
Tab. 1.1- Consumi di energia primaria nel mondo (MTep) [1] 
 
L Unione Europea soddisfa il 50% del proprio fabbisogno energetico con importazioni che 
comprendono il 75% del petrolio grezzo utilizzato. 
L Italia Ł uno degli stati europei piø dipendenti dalle fonti energetiche estere. Infatti oltre 
l 80% delle materie prime energetiche e il 15% dell energia elettrica vengono importati, 
questa situazione rende il paese vulnerabile rispetto alle continue oscillazioni del prezzo dei 
combustibili fossili. 
Questo dovrebbe dare la dimensione del problema che si dovr  affrontare nei decenni futuri, 
dato che una fonte esauribile Ł, come dice la parola stessa, destinata ad esaurirsi ed accadr  
in un tempo che in scala storica Ł relativamente breve. Sempre con riferimento alla 
Statistical review of world energy, Ł previsto che il picco di produzione del petrolio arriver  
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in un lasso di tempo che va da 5 anni a 30 anni, dopo di che il prezzo del greggio comincer  
a salire fino a diventare economicamente insostenibile per il nostro sistema.  
L utilizzo delle fonti fossili contribuisce in modo sostanziale all effetto serra, incrementando 
la concentrazione di anidride carbonica nell atmosfera. Se lo scenario rimanesse invariato, la 
concentrazione di CO2 atmosferica potrebbe raggiungere i 560 ppm entro il 2050, portando a 
sconvolgimenti climatici difficilmente prevedibili. 
Le previsioni future indicano una domanda, per quest ultimo, in crescita dell 1,9% annuo, 
alla quale si potr  far fronte, in assenza di soluzioni alternative, solo a costo di ulteriori rischi 
ambientali. 
Spinte dunque dalla necessit  di garantire, da una parte la sicurezza di approvvigionamento e 
dall altra dalla necessit  della salvaguardia dell ambiente, le nazioni hanno iniziato ad 
investire risorse a favore della ricerca per le fonti energetiche alternative ai combustibili 
fossili.  
1.2 Effetto serra ed anidride carbonica 
Gi  da molti anni si sono registrati cambiamenti climatici legati all utilizzo sempre maggiore 
di fonti energetiche particolarmente inquinanti come ad esempio il carbone o il petrolio, il 
cui utilizzo incrementa la concentrazione di anidride carbonica in atmosfera. L effetto di 
questo continuo riscaldamento prende il nome di effetto serra.  
La temperatura ed il clima della Terra sono determinati dal bilancio energetico del sistema 
Atmosfera-Terra. Il flusso di energia raggiante proveniente dal Sole riscalda gli strati 
inferiori dell atmosfera, poichØ quest ultima risulta essere trasparente alle radiazioni di 
lunghezza d’onda relativamente piccola e opachi a lunghezza d’onda maggiori. Tale 
comportamento fa s  che le radiazioni a breve lunghezza d’onda provenienti dal Sole 
(trattandosi di emissione ad alta temperatura avviene principalmente nelle bande UV), 
attraversino con facilit  l’atmosfera e riescano a raggiungere la superficie terrestre, che in 
parte le riflette e in parte le assorbe. La radiazione riflessa dalla terra verso la volta celeste, 
avendo origine da un corpo a bassa temperatura, sono sotto forma di raggi infrarossi a 
lunghezza d onda maggiore che appunto in conseguenza della loro diversa lunghezza d onda 
non oltrepassano completamente l atmosfera ma rimangono invece intrappolati provocando 
un inevitabile aumento di temperatura dell aria.  
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L atmosfera Ł infatti opaca alla radiazione infrarossa in proporzione alla concentrazione di 
alcune specie gassose cos  dette ad effetto serra. 
 
 
Fig 1.2- Schematizzazione dell’effetto serra 
I principali gas che causano l effetto serra sono: il biossido di carbonio meglio conosciuto 
come anidride carbonica (CO2), il metano, l idrofluorocarburi, i perfluorocarburi, il 
protossido di azoto (N2O), l esafluoruro di zolfo, l ozono atmosferico e il vapor d acqua. 
L effetto serra si presenta come un fenomeno regolatore dei parametri fondamentali 
caratterizzanti il clima, cioŁ la ciclicit  e la variabilit , rendendolo un sistema autoregolante 
e retroattivo. 
L’effetto serra Ł quindi un fenomeno estremamente importante per l’atmosfera terrestre 
perchØ altrimenti, il pianeta tenderebbe a raffreddarsi, dato che gran parte dell’energia solare 
che raggiunge la Terra viene rinviata verso lo spazio.  FinchØ la composizione dell atmosfera 
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e la quantit  di radiazione solare ricevuta dal pianeta restano costanti, l equilibrio tra i vari 
fattori fa si che s instauri un definito valore medio globale di temperatura sulla superficie 
terrestre, pari a circa 15 C. Ci  significa che se uno dei gas-serra naturali aumenta la sua 
concentrazione nell atmosfera, la temperatura media del globo s innalzer . Secondo quanto 
affermato dal comitato intergovernativo sul cambiamento climatico (IPCC)[2], nel corso 
degli ultimi 120 anni, all aumentare della concentrazione dei gas-serra nell atmosfera la 
temperatura media del pianeta Ł aumentata di circa 0,76 C. Si cerca tramite varie iniziative 
di limitare questo tipo di emissioni per contenere la concentrazione di CO2 in atmosfera.  
Fig 1.3- Variazione delle temperature medie annuali[2] 
Il valore di concentrazione naturale cioŁ quello che garantiva il benefico effetto serra 
naturale, era di circa 277 ppmv (parti per milione in volume) mentre in 150 anni, ma in 
particolare modo negli ultimi 70, la concentrazione d anidride carbonica ha raggiunto livelli 
preoccupanti, poco meno di 380 ppmv, pari ad un aumento del 30%.  Attualmente piø del 
75% delle emissioni di CO2 provengono della combustione di combustibili fossili ed il 
settore dell energia Ł in testa con il 70% sul totale di emissioni. Il combustibile piø 
inquinante in questi termini Ł sicuramente il carbone il quale, a causa dell alta 
 
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concentrazione di carbonio, ossidandosi in CO2 produce, a parit  di energia erogata, una 
quantit  circa doppia di anidride carbonica rispetto agli altri due combustibili fossili.  
1.3  Sviluppo sostenibile 
I primi passi verso una definizione di sostenibilit , furono mossi alla fine degli anni ’80 
dall’oncologo svedese Karl-Henrik RobŁrt[3], che cerc  di indirizzare la comunit  scientifica 
verso una comune definizione di sostenibilit . Tale definizione consente di rendere concreti i 
principi teorici dello sviluppo sostenibile, ed Ł la base di processi partecipativi efficaci. Da 
quel processo emerse il Framework di Sviluppo Sostenibile Strategico, noto anche come The 
Natural Step framework, adottato dai primi anni ’90 da miglia di organizzazioni nel mondo. 
Una successiva definizione di sviluppo sostenibile, in cui Ł inclusa una visione globale, Ł 
stata fornita, nel 1991, dalla World Conservation Union, UN Environment Programme and 
World Wide Fund for Nature, che lo identifica come:  ...un miglioramento della qualit  
della vita, senza eccedere la capacit  di carico degli ecosistemi di supporto, dai quali essa 
dipende  
Nello stesso anno Hermann Daly[4] propose il suo modello di sviluppo in  equilibrio  con 
l ecosistema, sintetizzandolo in tre concetti :  
1) il tasso di utilizzazione delle risorse rinnovabili non deve essere superiore al loro 
tasso di rigenerazione; 
2)  l’immissione di sostanze inquinanti e di scorie nell’ambiente non deve superare la 
capacit  di carico dell’ambiente stesso; 
3)  lo stock di risorse non rinnovabili deve restare costante nel tempo.  
Nel 1994, l’ICLEI (International Council for Local Environmental Initiatives) ha fornito 
un’ulteriore definizione di sviluppo sostenibile:  Sviluppo che offre servizi ambientali, 
sociali ed economici di base a tutti i membri di una comunit , senza minacciare l’operabilit  
dei sistemi naturali, e sociali da cui dipende la fornitura di tali servizi . Ci  significa che le 
tre dimensioni economiche, sociali ed ambientali sono strettamente correlate, ed ogni 
intervento di programmazione deve tenere conto delle possibili interrelazioni .  
Nel 2001, l’UNESCO[5] ha ampliato il concetto di sviluppo sostenibile indicando che "la 
diversit  culturale Ł necessaria per l’umanit  quanto la biodiversit  per la natura la 
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diversit  culturale Ł una delle radici dello sviluppo inteso non solo come crescita 
economica, ma anche come un mezzo per condurre una esistenza piø soddisfacente sul piano 
intellettuale, emozionale, morale e spirituale".  
In questa visione, la diversit  culturale diventa il quarto pilastro dello sviluppo sostenibile, 
accanto al tradizionale equilibrio delle tre E.  
1.4 Fonti energetiche rinnovabili 
Le fonti energetiche rinnovabili (FER) sono quelle fonti che, a differenza dei combustibili 
fossili e nucleari, possono essere considerate virtualmente inesauribili. Questo perchØ il loro 
ciclo di produzione, o riproduzione, ha tempi caratteristici al massimo comparabili con quelli 
del loro consumo da parte degli utenti. Le fonti energetiche rinnovabili, con l eccezione 
dell energia geotermica e, in qualche misura, dell energia che pu  essere ricavata dalle 
maree, derivano dall irraggiamento del sole. Il sole infatti riversa in continuazione 
un enorme quantit  di energia sulla terra che determina la crescita delle piante (biomasse), 
l evaporazione dai mari, quindi le piogge, l accumulo e il fluire dei corsi d acqua 
(idroelettrico), i venti (eolico), oltre ad energia direttamente sfruttabile (energia solare, 
elettrica e termica). Non fa, in realt , parte delle fonti rinnovabili l energia che si pu  
ottenere dalla combustione di rifiuti, anche se, nella classificazione dell ENEA[6] a cui 
facciamo riferimento, sono ad esse assimilate: si tratta comunque di una intelligente modo di 
smaltimento che ha inoltre il pregio di contribuire ad un minor utilizzo di fonti fossili.  
Sulle fonti energetiche inesauribili,  esistono varie classificazioni redatte da diversi enti 
internazionali. Come abbiamo gi  detto si far  riferimento a quella  dell ENEA[6] (Ente per 
le Nuove Tecnologie, l Energia e l Ambiente) la quale le raggruppa  nelle seguenti categorie: 
1. Biomasse, Biocombustibili e rifiuti: biomassa solida, prodotti animali, gas e liquidi 
da biomassa, Rifiuti solidi urbani (RSU), legni e assimilati. 
2. Energia Idraulica: large e small hydro 
3. Fonti alternative: energia geotermica, energia eolica, energia solare (termico e 
fotovoltaico), energia delle maree, delle onde e degli oceani