l’attuale unità.
3.2 Confronto delle prestazioni tra la nuova unità cogenerativa e l’attuale motore in funzione presso la centrale di Linate
Alla luce dei risultati poco anzi poc'anzi esposti, grazie alla consultazione del data-sheet della nuova unità, e a seguito di una analisi svolta sulle rilevazionei delle prestazioni dell’attuale motore in funzione presso la centrale di Linate, si è potuto procedere con una analisi di confronto delle prestazioni.
Gli indici di prestazione che si andranno a comparare sono quelli introdotti nel primo capitolo, e poi ripresi nel precedente per illustrare i parametri riportati nel data-sheet della nuova unità.
Si ricorda che i valori delle prestazioni riportati nel data-sheet del nuovo motore nel capitolo 2 sono valutati in condizioni standard di riferimento (standard reference conditions):
- Pressione: 1000 mbar (14,5 psi) o 100 m (328 ft) sopra il livello del mare. - Temperatura dell’aria: 25 °C (77 °F) o 298K. - Umidità relativa: 30%.
Infatti l’altezza a cui è collocata la centrale è di 108 m s.l.m. per cui molto vicino al parametro di pressione appena specificato.
Per quanto riguarda la temperatura dell’aria il valore standard si attesta mediamente più in alto di quello reale di funzionamento nei mesi primaverili, invernali ed autunnali.
Questo significa che teoricamente si dovrebbero avere prestazioni al di sopra di quelle riportata nel data-sheet in termine di efficienza e produzione elettrica. Nei soli mesi estivi
si possono registrare temperature che nell’arco della giornata superino la soglia dei 25 °C. Durante questa analisi si è deciso di mantenere i valori delle prestazioni riportati nel data-
sheet anche per condizioni di funzionamento durante i mesi in cui le temperature sono effettivamente più basse. Infatti, è bene mantenere questo approccio conservativo, in quanto solitamente i dati riportati dai costruttori rappresentato sempre dei valori piuttosto ottimistici delle prestazioni delle loro macchine.
Per quanto riguarda i rendimenti delle unità cogenerative già installare nella centrale di Linate,
piuttosto che consultarne il data-sheet, si è compiuto uno studio sui dati realmente rilevati tramite appositi strumenti di misura posti nella centrale.
Tali misurazioni vengono poi acquisite da una piattaforma, ed è possibile consultarne gli andamenti giorno per giorno ed ora per ora.
Si è ritenuto utilizzare questi dati in quanto più fedeli delle reali prestazioni dei motori, i quali dopo circa dodici anni di servizi hanno subito una lieve deflessione nelle loro prestazioni rispetto alle stesse appena usciti dalla fabbrica, come è lecito aspettarsi.
La redazione di un file Excel orario, utilizzato anche per altri scopi nella centrale di Linate, ha permesso il calcolo delle efficienze dei motori.
Questi risultati sono stati poi rielaborati per ottenere delle curve di prestazione per i differenti carichi del motore.
Figura 3.12 Consumo gas orario in una tipica giornata primaverile
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Figura 3.14 Produzione termica oraria in una tipica giornata primaverile
Si riportano, a titolo di esempio, i dati tipo di una giornata primaverile che sono stati estrapolati per un singolo motore nelle figure sovrastanti. Le tre curve presentano un andamento del tutto simile in quanto le ultime due ricalcano l’andamento descritto dal consumo orario di gas naturale della prima curva.
È stato possibile poi esportare i dati orari di tali curve in formato “.xls” per compiere successive analisi e computazioni.
Lo stesso genere di dati, in termini di output termico e consumo di gas, è disponibile anche per le due caldaie a recupero. Sulla stessa piattaforma, è inoltre possibile monitorare i flussi energetici di calore ed energia destinati ai diversi clienti di SEA Energia S.p.A. in modo da poter fare ulteriori considerazioni di carattere prettamente economico che saranno utilizzate nel prossimo capitolo della tesi.
Tale lavoro è stato compiuto per tutti i mesi di lavoro presso la centrale di Linate, ovvero tra inizio febbraio e inizio luglio, per i rimanenti mesi, simili file erano stati redatti gli scorsi anni.
I rendimenti sono stati quindi calcolati secondo le formule definite nel primo capitolo: 𝜂78 = < 9:; =∗?@A=B:;,CD (1.1) 𝜂EF = 9HI <=∗?@A=B:;,CD (1.2) 𝐹KL = 𝜂A = 𝜂MNM = GHIO9:; <=∗?@A=B:;,CD= 𝜂78+ 𝜂EF (1.3)
Dove il potere calorifico del gas naturale, per quanto si è rilevato nei mesi di permanenza presso la centrale di Linate, si attestava mediamente sul valore di: 𝑃𝐶𝐼 = 9,75 𝐾𝑊ℎ/𝑆𝑚y.
Dapprima, si riporta in Figura 3.15 il confronto tra i rendimenti elettrici dei due motori a combustione interna (MCI).
Figura 3.15 Confronto efficienze elettriche motori
Come ci si aspetta, la più moderna unità cogenerativa è caratterizzata da prestazioni migliori, in termini di rendimento elettrico. Lo scostamento di prestazioni è ben presente per tutti i carichi d’utilizzo del motore analizzati, ovvero dal 50% al 100% di carico elettrico.
Tale scostamento si mantiene pari a circa quattro punti percentuali per le diverse condizioni di funzionamento.
In entrambe le unità, come ci si aspettava, il rendimento elettrico subisce una deflessione all’aumentare della parzializzazione del carico del motore. Tale deflessione si fa più marcata per carichi minori del 75% della potenza nominale.
Attuando un confronto simile per le efficienze termiche dei due sistemi, le differenze di prestazioni risultano assai più marcate. Questo è giustificabile, oltre dal fatto che la nuova unità presenta una tecnologia più avanzata e performante, da alcuni problemi di recupero termico del calore dei gas combusti del motore. Ciò è dovuto ad alcune complicazioni in fase di installazione della caldaia a recupero, le quali hanno comportato alcune modifiche dal progetto iniziale di tale sistema. I risultati di tale confronto sono riportati in figura 3.5. In contrasto con quanto si può osservare per l’efficienza elettrica, il rendimento termico presenta un andamento lievemente crescente ai carichi parziali del motore. Questo si verifica perché in condizioni di regolazione del carico la temperatura dei gas di scarico aumenta, a seguito di una minore conversione dell’energia contenuta nel combustibile in energia elettrica.
Nella stessa figura si riporta anche, a titolo d’esempio, l’andamento della temperatura dei gas combusti in uscita dalla nuova unità cogenerativa. L ‘accoppiamento di questa curva con quella del rendimento termico ne può giustificare l’andamento.
75 Le efficienze termiche riportate sono riferite a condizioni di funzionamento invernali, dove come già detto la temperatura di ritorno dalla rete di teleriscaldamento è pari a 70°C, mentre la temperatura di mandata ha un valore di 110°C.
Figura 3.16 Rendimento termico delle unità e andamento temperatura di scarico dei gas combusti
Si tiene a precisare che nonostante il rendimento termico abbia valori lievemente crescenti per bassi carichi del motore, lo stesso non si può dire per la potenza termica realmente erogata. Infatti, sebbene la temperatura dei gas combusti sia più alta via via che il motore è parzializzato, la portata dei gas combusti subisce un calo proporzionale alla percentuale di regolazione del motore. Questo ultimo effetto ha peso decisamente preponderante sul primo per la determinazione della potenza termica generata dal recupero di calore dei gas combusti.
Per esempio, per la nuova unità l’output in termini di calore passa da 9946 KWth (al 100% del carico elettrico) a 5829 KWth (al 50% del carico termico del motore).
Una volta noti i rendimenti elettrici e termici dei due motori, è possibile procedere con il calcolo del rendimento totale, i cui risultati sono riportati in figura. Per la nuova unità il picco di tale parametro è attorno al 90% del carico, tuttavia si ricorda che tra i due contributi energetici, quello elettrico è di gran lunga più pregiato di quello termico.
Figura 3.17 Confronto rendimenti totali
Ciò significa che il rendimento elettrico ha sicuramente un peso maggiore nella valutazione delle prestazioni di una unità produttiva.
Gli elevatissimi valori di efficienza totale della nuova unità, compresi tra il 93,52% e il 94,28%, dimostrano come SEA Energia S.p.A. si sia mossa bene nel mercato alla ricerca di un’ unità cogenerativa che fosse estremamente all’avanguardia all’attuale stato dell’arte. Per concludere questa analisi comparativa, è bene mostrare anche le prestazioni del generatore convenzionale di calore sotto forma di acqua surriscaldata.
Si ricorda che la centrale di Linate è dotata di due caldaie, di fornitura della Bono Energia, con una potenza nominale di 30 MWth.
Esse entrano in funzione nel solo periodo coincidente con la campagna di funzionamento della rete di teleriscaldamento. Hanno quindi il ruolo di “caldaie ausiliare” in quanto operano solo nei momenti in cui vi siano dei picchi di richiesta termica in inverno, mentre in estate e salvo poche eccezioni in primavera ed autunno non entrano mai in funzione. Come già accennato nel primo capitolo di presentazione di tutti i componenti della centrale, anche questi macchinari operano bruciando gas naturale, lo stesso tipo di gas naturale che alimenta anche i motori a combustione interna.
È bene illustrare le prestazioni di tali componenti, in quanto il sistema di post-combustione di cui è dotato il nuovo motore cogenerativo ne sostituirà spesso il funzionamento,
limitandone in modo piuttosto cospicuo l’utilizzo.
Come per le unità cogenerative attualmente in funzione presso la centrale di Linate, si è svolta una analisi sulle correnti prestazioni che queste due macchine identiche, utilizzando le informazioni realmente rilevate sui consumi di gas naturale e la potenza erogata ora per ora grazie all’ ausilio della piattaforma di raccolta dati.
Si è quindi potuto procedere con il calcolo delle efficienze termiche della caldaia, per differenti carichi di lavoro, secondo la formula (1.2).
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Figura 3.19 Rendimento termico caldaia Bono
Non si sono riportati i risultati per valori di carico inferiori al 50% in quanto non sono condizioni di funzionamento che si rilevano durante l’anno. Tali componenti vengono infatti accessi solo per poche ore consecutive ma a carichi molto elevati. Questo perché, come detto servono a coprire i picchi di richiesta, inoltre vi è una motivazione legata alla logica di utilizzo. Presentando tali componenti un deciso calo delle prestazioni ai carichi parzializzati, è bene farle funzionare sempre in condizioni di carico il più elevate possibili servendosi quindi del sistema di accumulo termico, con una capacità di 20 MWhth ,
presente presso la centrale di Linate.
Si tiene comunque a precisare che la rete di teleriscaldamento stessa prevede dei sistemi di accumulo, proprio per agevolare e garantire maggiore elasticità di utilizzo alle centrale che la alimentano.
Tale componente ha delle dimensioni piuttosto notevole ed è quindi caratterizzato da una inerzia termica che ne inficia la prontezza e tempestività nel fornire il carico termico richiesto.
Mentre, per quanto riguarda il post-combustore, tale problematiche non sussistono, in quanto è caratterizzato da una elevata prontezza e flessibilità. Inoltre, questo componente operando con fiamma diretta sui gas di scarico in uscita dal motore, trasferisce interamente o quasi tutto il calore in ingresso dal potere calorifico del combustibile, mantenendo quindi efficienze termiche pressoché unitarie per ogni carico. Tuttavia, la potenza termica di targa di questo componente è di 9.3 MWth, notevolmente inferiore alla potenza complessiva delle due caldaie. Perciò, sarà possibile contenerne l’accensione solo parzialmente.
0,8 0,82 0,84 0,86 0,88 0,9 0,92 0,94 50% 55% 60% 65% 70% 75% 80% 85% 90% 95% 100%