determinare la taglia ottima dei tre impianti è il calcolo delle richieste termiche ed elettriche delle tre utenze in analisi in presenza di trigenerazione: infatti come già accennato nei precedenti capitoli, l’introduzione dei frigoriferi ad assorbimento comporta un’aggiunta di richiesta termica che va a sostituire parte della richiesta elettrica nella stagione estiva. È perciò necessario convertire la richiesta elettrica legata ai gruppi frigoriferi a compressione in input termico per i nuovi frigoriferi ad
assorbimento. Tale richiesta termica verrà fornita in estate attraverso il trigeneratore. È necessario per prima cosa dare una definizione di Coefficient Of Performances (COP) per macchine frigorifere a compressione e ad assorbimento:
𝐶𝑂𝑃𝑐𝑜𝑚𝑝𝑟𝑒𝑠𝑠 =𝐸𝑡ℎ 𝑎𝑠𝑝 𝑒𝑑𝑖𝑓𝑖𝑐𝑖𝑜
𝐸𝑒𝑙 𝑖𝑛 → 𝐸𝑡ℎ 𝑎𝑠𝑝 𝑒𝑑𝑖𝑓𝑖𝑐𝑖𝑜 = 𝐶𝑂𝑃𝑐𝑜𝑚𝑝𝑟𝑒𝑠𝑠∙ 𝐸𝑒𝑙 𝑖𝑛
(5.1)
In cui:
𝐶𝑂𝑃𝑐𝑜𝑚𝑝𝑟𝑒𝑠𝑠: coefficiente di prestazione di un frigorifero a compressione. Nel modello è stato ipotizzato pari a 3;
𝐸𝑡ℎ 𝑎𝑠𝑝 𝑒𝑑𝑖𝑓𝑖𝑐𝑖𝑜: carico termico asportato dagli edifici;
𝐸𝑒𝑙 𝑖𝑛: potenza elettrica in ingresso al frigorifero a compressione, determinata precedentemente, e descritta nel Capitolo 3 “Consumi Utenza”;
Avendo a disposizione per Bovisa Industriale, Durando e Cosenz, l’energia elettrica in ingresso ai gruppi frigoriferi su base oraria, è possibile determinare il carico termico asportato dagli edifici e, noto il COP dei nuovi frigoriferi ad assorbimento, l’input termico necessario a garantire la stessa potenza frigorifera:
𝐶𝑂𝑃𝑎𝑠𝑠 = 𝐸𝑡ℎ 𝑎𝑠𝑝 𝑒𝑑𝑖𝑓𝑖𝑐𝑖𝑜 𝑄𝑖𝑛 → 𝑄𝑖𝑛= 𝐸𝑡ℎ 𝑎𝑠𝑝 𝑒𝑑𝑖𝑓𝑖𝑐𝑖𝑜 𝐶𝑂𝑃𝑎𝑠𝑠 (5.2) In cui:
𝐶𝑂𝑃𝑎𝑠𝑠: coefficiente di prestazione di un frigorifero ad assorbimento, assunto nel modello pari a 0,7;
𝐸𝑡ℎ 𝑎𝑠𝑝 𝑒𝑑𝑖𝑓𝑖𝑐𝑖𝑜: carico termico asportato dagli edifici determinato al passaggio precedente;
𝑄𝑖𝑛: input termico di un frigorifero ad assorbimento.
Nota la richiesta termica oraria dei frigoriferi ad assorbimento è possibile determinare i consumi complessivi dell’utenza immaginando che l’intera quota frigorifera sia coperta dai nuovi chillers: questi rimangono invariati nella stagione invernale, mentre in quella estiva sono costituiti dagli input termici dei frigoriferi ad assorbimento. La richiesta elettrica oraria, invece, rimane uguale a quella del caso senza trigenerazione non comprensiva dell’input elettrico dei frigoriferi a compressione.
77 A questo punto è possibile passare alla descrizione del modello di simulazione vero e proprio. Per prima cosa è necessaria l’introduzione di alcuni parametri indispensabili per l’analisi: uno di questi è proprio la taglia d’impianto il cui valore ottimo viene determinato in una fase successiva attraverso il “Risolutore di Excel” massimizzando un parametro di tipo economico. Le assunzioni effettuate sono riportate in Tabella 5.3.
PARAMETRI Bovisa Ind Durando Cosenz
η_caldaie 0,9 0,9 0,9 η el_CHP 0,4 0,35 0,30 η th_CHP Inverno 0,50 0,55 0,6 η th_CHP_Estate 0,40 0,45 0,5 COP frigo a compressione 3 3 3 COP frigo ad assorbimento 0,7 0,7 0,7
TRIGENERATORE
Taglia cogen elettrico [kW] 1000 500 250
% min tecnico 25% 25% 25%
Tabella 5.3. Valore dei parametri ipotizzati per le tre aree del Campus. Le taglie dei cogeneratori sono valori di primo tentativo e non il valore ottimo.
Alcuni di questi parametri necessitano di un ulteriore approfondimento:
Il rendimento elettrico del cogeneratore (η el_CHP) varia il proprio valore in funzione della taglia dell’impianto secondo una correlazione empirica che lega i due parametri: 0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 -0,5 0,5 1,5 2,5 3,5 4,5 5,5 η ele tt rico Taglia Impianto [MW]
Legame taglia impianto-rendimento
I rendimenti termici, estivo ed invernale (η th_CHP Inverno, η th_CHP_Estate), dipendono invece dal rendimento elettrico: in particolare sono scelti in modo che il rendimento di primo principio sia nel caso invernale e in quello estivo rispettivamente pari a 0,9 e 0,8;
Il parametro percentuale (% min tecnico) esprime la frazione minima dell’energia termica producibile con l’impianto: in pratica permette di determinare il carico minimo di processo compatibile con l’esercizio dell’impianto in condizione di regime. Se la richiesta termica oraria dell’utenza è maggiore del minimo tecnico (= % min tecnico max potenza termica producibile) allora l’impianto viene acceso. Attraverso questi parametri, ed introducendo vincoli addizionali, è possibile risalire alla produzione termica ed elettrica del trigeneratore, alla quota di energia termica prodotta da caldaie integrative ed alle quantità di energia elettrica acquistata o immessa in rete. Infatti come già detto in precedenza l’impianto viene dimensionato seguendo la logica di funzionamento “termico segue” (o “termico guida”) in cui il motore viene regolato in modo che il recupero termico segua il carico termico dell’utenza, e di conseguenza l’energia elettrica generata dal motore è in generale differente dalla richiesta dell’utenza, per cui ne consegue uno scambio con la rete: in particolare, l’energia elettrica non coperta dal motore viene acquistata dalla rete, mentre l’eventuale sovrappiù di energia elettrica viene ceduto alla rete. Tenendo conto di tali premesse vengono determinate su base oraria le seguenti grandezze per ciascuna area del Campus Bovisa:
1│ La quantità di energia primaria offerta dal combustibile viene determinata a partire dalla richiesta elettrica dell’utenza e dal rendimento elettrico dell’impianto, definito in Tabella 5.3.
𝐸𝑛𝑒𝑟𝑔𝑖𝑎 𝑑𝑎 𝐹𝑢𝑒𝑙 [𝑘𝑊ℎ] =𝐸𝑒𝑙 𝑟𝑖𝑐ℎ𝑖𝑠𝑡𝑎 𝜂𝑒𝑙 𝐶𝐻𝑃
(5.3)
2│ Nota l’energia primaria disponibile si può quindi risalire all’energia termica utile recuperabile dal motore su base oraria (nel modello viene chiamata “Energia termica cogenerabile”)
𝐸𝑛 𝑡ℎ 𝑐𝑜𝑔𝑒𝑛𝑒𝑟𝑎𝑏𝑖𝑙𝑒 = 𝐸𝑛𝑒𝑟𝑔𝑖𝑎 𝑑𝑎 𝐹𝑢𝑒𝑙 ∙ 𝜂𝑡ℎ 𝐶𝐻𝑃 (5.4) Ovviamente il valore del rendimento termico cambia a seconda che ci si trovi in estate o in inverno, come descritto precedentemente.
79
3│ Ora è possibile determinare l’energia termica realmente prodotta dal trigeneratore: l’impianto si accende solo nel caso in cui la richiesta termica dell’utenza sia maggiore del minimo tecnico; in questo caso la produzione termica risulta pari al valore minimo tra l’energia termica richiesta e l’energia termica cogenerabile.
4│ Seguendo la logica “termico segue”, una volta noto il calore prodotto è possibile risalire all’energia elettrica fornita dall’impianto: è necessario determinare l’energia in ingresso al trigeneratore per poi determinare la produzione elettrica:
𝐸𝐸 𝑝𝑟𝑜𝑑𝑜𝑡𝑡𝑎 𝑑𝑎 𝑇𝑅𝐼𝐺 =𝐸𝑡ℎ 𝑝𝑟𝑜𝑑𝑜𝑡𝑡𝑎
𝜂𝑡ℎ 𝐶𝐻𝑃 ∙ 𝜂𝑒𝑙 𝐶𝐻𝑃
(5.5)
5│ Inoltre l’energia termica prodotta in estate dall’impianto viene convertita in energia frigorifera attraverso i sistemi ad assorbimento:
𝐸𝐹 𝑝𝑟𝑜𝑑𝑜𝑡𝑡𝑎 𝑑𝑎 𝑎𝑠𝑠𝑜𝑟𝑏𝑖𝑡𝑜𝑟𝑒 = 𝐸𝑡ℎ 𝑝𝑟𝑜𝑑𝑜𝑡𝑡𝑎 𝑒𝑠𝑡𝑎𝑡𝑒 ∙ 𝐶𝑂𝑃𝑎𝑠𝑠 (5.6)
6│ La restante richiesta di potenza frigorifera dell’utenza viene coperta attraverso frigoriferi a compressione; questa scelta è dettata da risparmi economici e di energia primaria: i maggiori coefficienti di prestazione dei frigoriferi a compressione (COP=3) rispetto a quelli dei frigoriferi ad assorbimento (COP=0,7) rendono più vantaggioso l’utilizzo di un assorbitore solo nel caso in cui questo venga alimentato da calore di scarto recuperato da un cogeneratore.
𝐸𝐹 𝑑𝑎 𝑓𝑟𝑖𝑔𝑜𝑟𝑖𝑓𝑒𝑟𝑜 𝑎 𝑐𝑜𝑚𝑝𝑟𝑒𝑠𝑠𝑖𝑜𝑛𝑒 = 𝐸𝐹 𝑟𝑖𝑐ℎ𝑖𝑒𝑠𝑡𝑎 − 𝐸𝐹 𝑑𝑎 𝑎𝑠𝑠𝑜𝑟𝑏𝑖𝑡𝑜𝑟𝑒 (5.7)
7│ A questo punto è possibile determinare l’input elettrico necessario al funzionamento dei frigoriferi a compressione:
𝐸𝐸 𝑝𝑒𝑟 𝑓𝑟𝑖𝑔𝑜 𝑎 𝑐𝑜𝑚𝑝𝑟𝑒𝑠𝑠𝑖𝑜𝑛𝑒 = 𝐸𝐹 𝑑𝑎 𝑓𝑟𝑖𝑔𝑜𝑟𝑖𝑓𝑒𝑟𝑜 𝑎 𝑐𝑜𝑚𝑝𝑟𝑒𝑠𝑠𝑖𝑜𝑛𝑒 𝐶𝑂𝑃𝑐𝑜𝑚𝑝𝑟𝑒𝑠𝑠
(5.8)
Nota quest’ultima grandezza è perciò possibile ottenere la reale richiesta complessiva delle tre utenze in presenza di trigeneratore: il carico elettrico è infatti ottenuto dalla somma della richiesta elettrica iniziale con l’input elettrico dei frigoriferi a compressione; il fabbisogno termico è invece pari in inverno a quello del caso base senza trigenerazione, mentre in estate alla produzione termica dell’impianto trigenerativo. Ovviamente tutte queste grandezze vengono determinate automaticamente dal modello di simulazione una volta inseriti come dati di partenza le curve di carico dell’utenza nel caso base e i valori dei parametri descritti in Tabella
5.3. Noti il fabbisogno delle tre utenze e l’energia elettrica e termica prodotte dal trigeneratore, è possibile completare la descrizione del funzionamento dell’impianto determinando le quantità di calore prodotta con le caldaie integrative e la quota di energia elettrica scambiata con la rete.
PARTE TERMICA
8│ La prima grandezza da determinare è il consumo di gas naturale da parte del trigeneratore: è un parametro utile in quanto permette in una fase successiva di eseguire le valutazioni economica ed ambientale.
𝐶𝑜𝑛𝑠𝑢𝑚𝑜 𝑔𝑎𝑠 𝑡𝑟𝑖𝑔 = 𝐸𝑡ℎ 𝑝𝑟𝑜𝑑𝑜𝑡𝑡𝑎 𝑇𝑟𝑖𝑔 𝜂𝑡ℎ 𝐶𝐻𝑃 ∙ 𝑃𝐶𝐼
(5.9)
In cui il potere calorifico inferiore è espresso in [kWh/Sm3] ed è pari a 9,58, ottenendo così un consumo di gas espresso in Sm3.
9│ Note la richiesta termica dell’utenza e il calore prodotto attraverso il trigeneratore è possibile calcolare facilmente l’energia termica che deve essere prodotta dalle caldaie ausiliarie:
𝐸𝑛 𝑡𝑒𝑟𝑚𝑖𝑐𝑎 𝑐𝑎𝑙𝑑𝑎𝑖𝑒 = 𝐸𝑡ℎ 𝑟𝑖𝑐ℎ𝑖𝑒𝑠𝑡𝑎− 𝐸𝑡ℎ 𝑝𝑟𝑜𝑑𝑜𝑡𝑡𝑎 𝑇𝑟𝑖𝑔 (5.10) Anche in questo caso è utile determinare il gas consumato dalle caldaie per poter poi eseguire analisi di carattere economico ed ambientale:
𝐶𝑜𝑛𝑠𝑢𝑚𝑜 𝑔𝑎𝑠 𝑐𝑎𝑙𝑑𝑎𝑖𝑒 = 𝐸𝑛 𝑡𝑒𝑟𝑚𝑖𝑐𝑎𝑐𝑎𝑙𝑑𝑎𝑖𝑒 𝜂𝑐𝑎𝑙𝑑𝑎𝑖𝑒 ∙ 𝑃𝐶𝐼
(5.11)
PARTE ELETTRICA
10│ È possibile calcolare la quota di energia elettrica prodotta del trigeneratore ed autoconsumata dall’utenza ogni ora: se l’energia elettrica prodotta dal trigeneratore è minore o uguale alla richiesta elettrica dell’utenza allora la quota di autoconsumo è pari all’energia elettrica prodotta, in caso contrario è pari a quella richiesta.
11│ Inoltre in alcune ore dell’anno è possibile che sia presente un sovrappiù di energia elettrica prodotta dal trigeneratore che deve essere immesso in rete: nel caso in cui l’energia elettrica prodotta dall’impianto sia maggiore della richiesta dell’utenza, la quote di energia immessa in rete è pari alla differenza tra le due, altrimenti è nulla.
12│ In caso contrario, se la richiesta elettrica dell’utenza non viene completamente soddisfatta dall’impianto trigenerativo è necessario acquistare una parte dell’energia elettrica dalla rete: se la richiesta elettrica dell’utenza è minore o
81 uguale della produzione da parte dell’impianto allora la quota prelevata dalla rete è nulla, altrimenti è pari alla differenza tra le due.
A questo punto il funzionamento dell’interno sistema, costituito da impianto di trigenerazione, caldaie integrative e rete elettrica, è completamente descritto. Il passo successivo è la caratterizzazione del sistema dal punto di vista economico e la consecutiva individuazione della taglia d’impianto.