I motori a gas impiegati negli impianti di cogenerazione trasformano l’energia contenuta nel combustibile in potenza meccanica ed elettricità con rendimenti sempre più elevati. La qualità del carburante e la corretta regolazione della carburazione giocano un ruolo decisivo sulla resa, sulla durata del motore e sul rispetto dei limiti emissivi. In questo articolo analizziamo i concetti fondamentali per comprendere — e ottimizzare — il fuel system di un’unità di cogenerazione.
Unità di misura dell’energia nel gas combustibile: Btu e MJ
- Btu (British thermal unit) e MJ (Mega Joule) misurano il contenuto energetico di un combustibile per unità di volume.
- 1 ft³ di gas con potere calorifico “ricco” contiene circa 900 Btu/ft³.
- L’equivalente metrico è 26,9 MJ/m³.
Perché è importante? A parità di portata, un gas con potere calorifico più alto rende la miscela più ricca in camera di combustione; un valore più basso la rende magra. Ciò influisce sull’anticipo di accensione, sulle emissioni e sull’efficienza.
Qualità del combustibile e contaminanti
Tracce di gas indesiderati e loro effetti
| Tipo di gas / contaminante | Dove si trova | Effetto sul motore |
|---|---|---|
| Idrogeno (H₂) | Tutti i combustibili | Combustione irregolare, instabilità della fiamma |
| Idrocarburi pesanti (HC) | Tutti | Favoriscono la detonazione, basso potere calorifico |
| Alogeni / alogenuri (Cl, F, ecc.) | Carburanti liquidi | Grave corrosione in poche ore |
| Zolfo e derivati (H₂S, SO₂) | Tutti | Corrosione, contaminazione dell’olio |
| Silossani | Biogas, gas da discarica / pozzo | Depositi duri, danneggiano valvole e catalizzatore |
Limiti raccomandati
- Zolfo totale: ≤ 1 000 ppm (0,1 %)
- Silossani: ≤ 25 µg/L
- Controllare periodicamente le analisi del gas e dell’olio lubrificante.
Corrosione solforica
I composti solforati attraversano le fasce elastiche, reagiscono con la condensa e formano acido solforico (H₂SO₄) che aggredisce i cuscinetti bi‑/trimetallici. Il fenomeno si riconosce dall’annerimento dei rivestimenti.
Best practice: filtrazione del gas, desolforazione e verifica dei “metalli gialli” nel circuito di lubrificazione.
Silossani: origine e contromisure
Derivano da cosmetici, lubrificanti e detergenti. Nei motori a gas si accrescono sotto forma di depositi ceramici bianchi/grigi, riducendo l’efficienza termica e avvelenando il catalizzatore. La purificazione del biogas deve ridurre la silice a < 25 µg/L.
Rapporto aria‑combustibile (AFR) e strategie di regolazione
Range di funzionamento
| Modalità | AFR (massa aria : massa gas) | Vantaggi |
|---|---|---|
| Stechiometrico | 15,5 – 18,0 : 1 | Migliore potenza, risposta rapida al carico |
| Combustione magra (lean burn) | 24,5 – 32,0 : 1 | Minori NOx, minor consumo di carburante |
All’interno del range stechiometrico si definiscono:
- Migliore Potenza: ~ 15,5 : 1
- Uguale NOx/CO: ~ 15,9 : 1
- Ottimale per catalizzatore: 15,95 – 16,05 : 1
- Migliore Economia: 17 – 18 : 1
Lambda (λ)
λ = AFR / AFRstech.
- λ = 1 → miscela chimicamente corretta (≈ 16,09 : 1 per il gas naturale).
- λ < 1 → miscela ricca (maggiore potenza, più CO).
- λ > 1 → miscela magra (meno NOx, più calore nei gas di scarico).
Esempi: 15,5/16,09 = λ 0,96 (rich); 32/16,09 = λ 1,99 (lean).
Sistemi di alimentazione e miscelazione
Carburatori a membrana
- Utilizzano un diaframma che, sotto l’effetto della depressione nel collettore, regola l’apertura del cono carburante.
- La “vite di carico” adatta il secondo orifizio per i carichi elevati.
- Taratura tramite molle di rigidezza differente a seconda del potere calorifico del gas.
Carburatori Venturi
- Basati sull’effetto Venturi: la strozzatura genera una zona di bassa pressione che aspira il gas attraverso fori equidistanti.
- Cono Venturi installato a valle del filtro e a monte del turbocompressore.
- Valvole di regolazione elettroniche + shut‑off valves di sicurezza in caso di sovrapressione.
Motori sovralimentati vs aspirati
| Configurazione | Pressione di riferimento | Criticità |
|---|---|---|
| Sovralimentato (turbo) | Pressione lato freddo turbina | Necessaria linea di bilanciamento per AFR stabile; variazioni con il carico |
| Aspirato | Depressione collettore aspirazione | Curve AFR disegnate dal costruttore; modificarle incide su prestazioni ed emissioni |
Miscela ricca o povera: vantaggi e svantaggi
| Caratteristica | Miscela ricca (λ ≈ 0,96) | Miscela magra (λ ≈ 1,06 – 1,11) |
|---|---|---|
| Potenza erogata | Massima | Leggermente inferiore |
| Risposta al carico | Rapida | Più lenta |
| Consumo di carburante | Maggiore | Minore |
| Emissioni NOx | Più alte | Più basse |
| Rischio detonazione | Maggiore se molto ricca | Inferiore |
La scelta del set‑point dipende da: normativa ambientale, profilo di carico, temperatura ambiente e quota di installazione.
Conclusioni e raccomandazioni operative
- Analisi periodica del gas per verificare potere calorifico e contaminanti (zolfo, silossani, HC).
- Filtri e sistemi di purificazione adeguati al tipo di biogas o gas naturale impiegato.
- Monitoraggio dell’AFR con sensori ossigeno e analizzatore di emissioni, soprattutto nei motori lean burn.
- Taratura dinamica del punto di accensione e del carburatore sulla base della composizione del gas e delle condizioni ambientali.
- Documentare la curva base AFR vs carico del motore per confronti futuri.
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Risorse utili
- Linee guida OEM sui limiti dei contaminanti nel gas
- Standard ISO 13686 (gas naturale — specifiche di qualità)
- Best practice EBA per la purificazione del biogas
