Analisi delle normative e prove sperimentali termiche, ambientali ed elettriche su un micro-cogeneratore basato su un motore a combustione interna

In recent years, energy saving has assumed considerable importance in the international debate, allowing the possibility of growth and diffusion of cogeneration, which, thanks to the combined production of heating power and elecrticity, is able to ensure a large primary energy savings in countless applications. In this context, micro cogenerators gained more and more importance, thanks to their ability to be available directly from the end users. In addition to European and national laws that define and regulate the micro cogeneration, as for example the European Directive 2004/8/EC or 2012/27/EU, in many States have been developed different standards, with the aim of regulating the methods of construction and test, to determine the performance of micro-cogeneration systems, such as EN 50465 and DIN 4709. The creation of test procedures allows to determine ex ante performances of micro-CHP units in an independent and unique way, without considering the specific installation. For the Laboratory of Micro-Cogeneration (LMC) in the Energy Department of the Politecnico of Milan it is therefore essential to consider the actual standards, trying to replicate them in test mode, in order to offer companies an efficient and approved service of tests. Although operating with established procedures and providing instrumentation characterized by reduced uncertainty, there are still some points, such as the plant scheme, to be solved before it could be possible to ensure that the tests are conducted according to European standard; there are less problems with the test in accordance with the German standard. After the successful test on TANDEM T20 , asjaGen has decided to make a second agreement with the laboratory for the performance analysis of the new micro CHP TOTEM 20. This cogenerator is nan automotive-derived internal combustion engine coupled with a three-phase electrical generator, capable of a power of about 20 kW, and a system for the heat recovery, in order to recover a maximum thermal power of about 47 kW. The purpose of the analysis is to characterize the machine in steady state at different temperatures of the inlet water (35°C, 50°C and 70°C ), monitoring, simultaneously, also the production of electricity and the pollutant emissions (NOx and CO). The experimental tests were carried in January and in June. All tests allow the parallel calculation of error propagation in accordance with ISO/IEC Guide 98-3. The values of thermal efficiency and electric obtained are characterized by an expanded uncertainty calculated with a coverage factor k equal to 2; the characteristic values of the stationary states were estimated by performing statistical inference on average. The following table shows the results of the stationary states analyzed in the two test campaigns: 35°C 50°C 70°C January ηel 0,309±0,005 0,310±0,003 0,310±0,003 ηth 0,750±0,014 0,699±0,007 0,651±0,008 June ηel 0,306±0,001 - 0,308±0,001 ηth 0,758±0,005 - 0,652±0,003 The machine has guaranteed in every point of operation low values of pollutants emitted, always below the limit values dictated by the current regulations. It is also possible to observe a reduction of the dispersion of the average values of emissions with the increase of the inlet water temperature. The tests carried out have confirmed the quality of the internal laboratory procedures, as well as the reliability of the results obtained by error propagation, according to standard. In parallel to the tests in steady state, with the help of colleagues from the Laboratory of Acoustics, it was possible to assess the applicability of ISO 9614-1 for determining the sound power level. The aim is to use the same experimental set-up already used for the characterizations thermal and electrical, to perform also measurements for the determination of sound power level, expanding the range of the laboratory for the testing of micro-cogenerators. For the application of the German DIN 4709 it was necessary to make changes at the set-up of the plant and creating a new control logic. Despite everything, it was possible to make a first preliminary test, which has raised some issues of the test procedure used.

Negli ultimi anni il risparmio energetico ha assunto notevole importanza nel dibattito internazionale, lasciando spazio alla possibilità di crescita e diffusione della cogenerazione, che, grazie alla produzione combinata di calore ed elettricità, è in grado di garantire un grosso risparmio di energia primaria in innumerevoli applicazioni. In questo contesto hanno assunto sempre più importanza i micro-cogeneratori, grazie alla loro possibilità di essere disponibili direttamente presso le utenze finali. Oltre alle leggi europee e nazionali che definiscono e disciplinano la micro-cogenerazione, come la direttiva europea 2004/8/CE o la 2012/27/UE, in molti stati sono state sviluppate diverse normative, con l’obiettivo di regolamentare le modalità costruttive e di prova, per la determinazione delle prestazioni dei sistemi micro-cogenerativi, come le norme EN 50465 e DIN 4709. Definire procedure di prova ex ante permette di determinare il rendimento di micro-cogeneratori in modo indipendente ed univoco, senza considerare l’installazione specifica. Per il Laboratorio di Micro-Cogenerazione (LMC) del Dipartimento di Energia del Politecnico di Milano risulta quindi fondamentale considerare le normative vigenti, cercando di replicarle nelle modalità di prova, per poter offrire alle aziende un servizio di prove efficiente e riconosciuto. Pur operando con procedure consolidate e disponendo di strumentazione caratterizzata da ridotta incertezza, rimangono ancora alcuni punti, come la conformazione d’impianto, da risolvere prima di poter garantire delle prove svolte secondo norma europea; sono invece più praticabili le prove secondo normativa tedesca. Vista la proficua sperimentazione sul TANDEM T20, l’azienda torinese asjaGen ha stipulato un secondo accordo con il laboratorio per l’analisi prestazionale del nuovo micro cogeneratore TOTEM 20, attualmente già sul mercato. Questa macchina è costruita accoppiando un motore di derivazione automobilistica con un generatore elettrico trifase, capace di sviluppare una potenza di circa 20 kW. L’interno del cogeneratore è stato appositamente attrezzato per il recupero termico, in modo da recuperare una potenza termica massima di circa 47 kW. Lo scopo dell’analisi è quello di caratterizzare la macchina in stato stazionario a diverse temperature dell’acqua in ingresso (35°C, 50°C e 70°C), monitorando, in contemporanea, anche la produzione elettrica e le emissioni inquinanti (NOx e CO). Le campagne di prova eseguite sono state due: una nel mese di gennaio e una nel mese di giugno. Nei mesi che hanno separato le due serie di analisi sono state apportate modifiche alla macchina da parte dell’azienda costruttrice e si è potuto intervenire sostituendo alcune attrezzature del laboratorio e migliorando i fogli di calcolo dei bilanci di energia e di massa, con il calcolo automatico della post analisi statistica e implementando un file di rielaborazione dati. Tutte le prove effettuate consentono il parallelo calcolo della propagazione degli errori secondo norma ISO/IEC Guide 98-3. I valori di rendimento termico ed elettrico ottenuti risultano caratterizzati da un’incertezza estesa calcolata con fattore di copertura k pari a 2; i valori caratteristici degli stati stazionari sono stati stimati effettuando un’inferenza statistica sulla media. Nella tabella seguente sono riportati i risultati degli stati stazionari analizzati nelle due campagne prova: 35°C 50°C 70°C January ηel 0,309±0,005 0,310±0,003 0,310±0,003 ηth 0,750±0,014 0,699±0,007 0,651±0,008 June ηel 0,306±0,001 - 0,308±0,001 ηth 0,758±0,005 - 0,652±0,003 A livello di emissioni la macchina ha garantito dei valori bassi in ogni suo punto di funzionamento, sempre al di sotto dei valori limite dettati dalle normative vigenti. È possibile, inoltre, osservare una riduzione della dispersione dei valori medi di emissioni al crescere della temperatura dell’acqua in ingresso alla macchina. Le prove effettuate hanno confermato la bontà della procedura interna del laboratorio, nonché l’affidabilità dei risultati ottenuti tramite propagazione degli errori secondo norma. Parallelamente alle prove in stato stazionario, con l’aiuto dei colleghi del Laboratorio di Acustica, è stato possibile valutare l’applicabilità della normativa ISO 9614-1 per la determinazione del livello di potenza sonora. L’obiettivo è quello di usare il medesimo set-up sperimentale già utilizzato per le caratterizzazioni termiche ed elettriche, per svolgere anche misure per la determinazione del livello di potenza sonora, ampliando così l’offerta del laboratorio per le prove sui micro-cogeneratori. L’applicazione della normativa tedesca DIN 4709 ha comportato modifiche al set-up d’impianto e lo sviluppo di una nuova logica di controllo. Nonostante tutto, si è potuta effettuare una prima prova preliminare, che ha fatto emergere alcune criticità e alcuni punti di forza della procedura utilizzata.