Calcolo delle prestazioni del sistema di refrigerazione dell’aria

Dall’analisi dei dati forniti in letteratura sono state estrapolate le curve che legano la temperatura ambiente alla potenza assorbita dal frigorifero, ed alla riduzione di temperatura in aspirazione (ΔT) al compressore.

La curva della potenza assorbita è stata opportunamente scalata con la portata di aria in aspirazione al turbogas, mentre la curva dei Delta di Temperatura è stata mantenuta invariata.

Per la valutazione delle prestazioni dell’impianto sono state utilizzate le medesime curve di potenza e consumo specifico in funzione della temperatura di ammissione e le stesse serie di dati meteo impiegati per il sistema di umidificazione.

Come nel caso precedente, i calcoli delle prestazioni sono stati ripetuti per ogni ora del giorno e per tutti i giorni dell’anno e nell’ipotesi di non effettuare refrigerazione qualora la T ambiente fosse ≥ 5 °C.

Inoltre, si è imposto che la T aspirata dal compressore dopo la refrigerazione sia > 5 °C (per non incappare nella formazione di ghiaccio): cioò comporta una parzializzazione del funzionamento del frigorifero in tutti i casi in cui tale soglia dovesse essere superata. Quando entra in gioco tale limitazione, la differenza di temperatura fornita dal sistema di refrigerazione è pari a “T_ambiente – 5 °C”, mentre la potenza assorbita dal frigorifero è calcolata come una frazione di quella assorbita alla medesima temperatura ambiente, in assenza limitazione. Tale frazione è data dal rapporto tra l’effettivo delta di temperatura e quello che si sarebbe ottenuto senza limitazione.

Per coerenza con le analisi effettuate sul sistema di umidificazione dell’aria, per le valutazioni economiche, sono stati utilizzati gli stessi dati sui ricavi per la vendita di energia nelle diverse fasce orarie, lo stesso valore del costo combustibile e lo stesso coefficiente di utilizzo del gruppo, pari all’80%, omogeneamente distribuito durante tutto l’anno.

4.2. Valutazione dei benefici economici

Dall’analisi dei calcoli effettuati si è potuto osservare che, in questo caso, il raffreddamento dell’aria produce un surplus di potenza ma associato ad un maggior consumo specifico dell’intero ciclo.

A causa di ciò il bilancio tra il maggior ricavo per la vendita dell’energia prodotta e il maggior costo per il combustibile bruciato, risulta positivo solo quando la remunerazione oraria si discosta da quella della fascia più bassa: quindi, l’impiego di tale sistema di refrigerazione non è consigliabile nella fascia oraria 4, poiché comporta sistematicamente una perdita anziché un guadagno.

Nell’ipotesi di fermare il sistema quando si entra in fascia 4 (tipicamente la notte ed il mese di agosto), la valutazione dei benefici economici, per le tre località in cui si è ipotizzato di realizzare l’impianto (costa del Nord Italia, Pianura Padana, costa del Sud Italia) fornisce le seguenti cifre:

località Costa del Nord Pianura Padana Costa del Sud

coefficiente di utilizzazione % 80.00 80.00 80.00

delta di energia prodotta nell'anno MWh 33.187,70 27.805,69 40.497,20 delta di consumo annuo Mcal 66.255.689,32 54.355.147,99 79.047.884,57 delta costo combustibile nell'anno x 1000 € 1.368,73 1.122,88 1.632,99 delta ricavo per energia prodotta x 1000 € 1.934,56 1.535,64 2.423,02

guadagno annuo x 1000 € 565,83 412,75 790,03

pay back time anni 7 12 4

VAN fine vita (15 anni) x 1000 € 2.659,88 1.173,13 4.837,34

TIR fine vita (15 anni) % 21 13 31

Per le tre ipotesi di ubicazione dell’impianto sono stati ottenuti i seguenti risultati: Località lungo la costa del Nord Italia

L’installazione di un sistema di raffreddamento a ciclo frigorifero consente un aumento annuo di produzione di circa 33.000 MWh, associato ad un maggior consumo di combustibile pari a 66.250.000 Mcal. Il surplus di energia prodotta è però caratterizzato da un maggior consumo specifico dell’intero ciclo (circa 1,2% in più). Globalmente, comunque, nell’arco di un anno, il sistema consente di ottenere un guadagno netto di circa 550.000 €.

Ipotizzando un costo di installazione dell’ordine dei 2.350.000 € e costi annuali di manutenzione di 50.000 €, si può osservare che il tempo di ritorno dell’investimento è dell’ordine dei 7 anni). Il valore attuale netto a fine vita, valutato ad un tasso di sconto del 6% annuo e nell’ipotesi che l’impianto funzioni per 15 anni, è dell’ordine dei 2.650.000 €, con un tasso interno di rendimento del 21%.

Località della Pianura Padana

L’installazione di un sistema di raffreddamento a ciclo frigorifero consente un aumento annuo di produzione di circa 28.000 MWh, associato ad un maggior consumo di combustibile pari a

Ipotizzando un costo di installazione dell’ordine dei 2.350.000 € e costi annuali di manutenzione di 50.000 €, si può osservare che il tempo di ritorno dell’investimento è dell’ordine dei 12 anni. Il valore attuale netto a fine vita, valutato ad un tasso di sconto del 6% annuo e nell’ipotesi che l’impianto funzioni per 15 anni, è dell’ordine dei 1.200.000 €, con un tasso interno di rendimento del 13%.

Località lungo la costa del Sud Italia

L’installazione di un sistema di raffreddamento a ciclo frigorifero consente un aumento annuo di produzione di circa 49.500 MWh, associato ad un maggior consumo di combustibile pari a 79.000.000 Mcal. Il surplus di energia prodotta è però caratterizzato da un maggior consumo specifico dell’intero ciclo (circa 1,4% in più). Globalmente, comunque, nell’arco di un anno, il sistema consente di ottenere un guadagno netto di circa 790.000 €.

Ipotizzando un costo di installazione dell’ordine dei 2.350.000 € e costi annuali di manutenzione di 50.000 €, si può osservare che il tempo di ritorno dell’investimento è dell’ordine dei 4 anni). Il valore attuale netto a fine vita, valutato ad un tasso di sconto del 6% annuo e nell’ipotesi che l’impianto funzioni per 15 anni, è dell’ordine dei 4.800.000 €, con un tasso interno di rendimento del 31%.

Globalmente si può notare come gli effetti sulla produzione di energia siano notevolmente diversificati per le tre località, confermando la forte dipendenza di tale sistema dalle condizioni di temperatura ambiente. In tutti i casi, però, l’incremento di energia prodotta è accompagnato da un aumento del consumo specifico dell’intero ciclo: la convenienza dell’applicazione, quindi, risulta fortemente vincolata alle tariffe di vendita dell’energia ed al costo del combustibile.

5. CONCLUSIONI

Sono state analizzate due diverse modalità di raffreddamento dell’aria in aspirazione ai compressori di gruppi turbogas, finalizzate ad un aumento dell’efficienza dell’impianto.

• un sistema di raffreddamento per umidificazione dell’aria

• un sistema di raffreddamento con frigoriferi ad assorbimento, che utilizzino vapore spillato dalla sezione di bassa pressione del GVR di un ciclo combinato.

L’analisi dell’applicabilità dei due sistemi è stata riferita ad un ipotetico gruppo con 1 turbogas da 256 MWe e ciclo a vapore da 130 MWe, installato in tre siti con caratteristiche meteorologiche tipiche italiane: una zona costiera del Nord, la Pianura Padana ed una zona costiera del Sud.

Ambedue i sistemi consentono di incrementare la produzione energetica annua e, quindi, di ricavare un chiaro vantaggio economico conseguente alla loro installazione.

L’entità di tale guadagno è dipendente da:

• le caratteristiche (in termini di curve di variazione del consumo specifico e della potenza del turbogas in funzione della temperatura dell’aria aspirata) dell’impianto termico sul quale trovano applicazione,

• le condizioni meteorologiche (installazioni su impianti termici localizzati in luoghi molto caldi hanno un effetto più incisivo sull’efficienza)

• il costo del combustibile e le quote orarie del ricavo della vendita dell’energia (poiché è dal bilancio tra il ricavo della vendita dell’energia in più prodotta ed il costo del combustibile richiesto per produrla che si calcola il guadagno).

Quest’ultimo fattore è particolarmente importante soprattutto nel caso di raffreddamento con frigorifero. Tale sistema, infatti, pur avendo un funzionamento svincolato dalle condizioni di umidità atmosferica, è contraddistinto dal fatto di generare un incremento di produzione di energia, a fronte di un leggero aumento del consumo specifico dell’impianto: nelle fasce di minore remunerazione dell’energia, questa caratteristica è fortemente penalizzante, al punto da non renderne conveniente l’utilizzo per circa la metà dei giorni di un anno.

Per questo motivo (che limita fortemente i guadagni annui) e per l’elevato investimento iniziale, da un confronto tra le due soluzioni risulta chiaramente evidente come, in tutte le condizioni climatiche analizzate, il sistema di abbassamento della temperatura per refrigerazione non riesca ad essere concorrenziale con l’umidificazione dell’aria, caratterizzata da guadagni più elevati e da costi di investimento iniziali e di manutenzione notevolmente inferiori.

Esercitazione 3