Confronto rendimento dei motori senza e con i recuperi energetici

Capitolo 10: Comparazione tecnica ed economica con altri

Figura 10.1 – Le linee tratteggiate rappresentano la configurazione presentata in questa tesi, mentre quelle continue si riferiscono alla configurazione ‘’Cocino’’ (in entrambi i casi i motori sono alimentati a NG)

Figura 10.2 – Le linee tratteggiate rappresentano la configurazione presentata in questa tesi (con i motori alimentati a NG), mentre quelle continue si riferiscono alla configurazione ‘’Cocino’’, con i motori alimentati a HFO

Nella Figura 10.1, rappresentante il confronto tra i rendimenti dei motori MAN per il caso in cui nella configurazione ‘’Cocino’’ si utilizzi natural gas come combustibile, si nota come gli andamenti siano molto simili a quelli dell’impianto qui sviluppato. In particolare, i dati dei motori MAN tratti sono stati scelti dallo stesso catalogo [26]. Anche i dati utilizzati per il recupero della turbosoffiante ibrida (HTC) sono i medesimi, parametrizzati sul valore della potenza di targa dei diversi motori. Per la caldaia a recupero (WHR) si nota invece che si è

fatto uso di dati differenti, infatti in questa tesi sono stati utilizzati i risultati ottenuti dall’ottimizzazione della suddetta caldaia a recupero, e del relativo ciclo a vapore, effettuata nel corso della tesi di Rebecca Benassi [25] che sono un poco diversi dai dati dell’impianto WHR della tesi di Claudio Cocino.

Nella Figura 10.2 sono invece raffigurati con linea continua i rendimenti dei motori MAN utilizzanti HFO come combustibile. È evidente la differenza di rendimento tra queste linee e quelle tratteggiate, raffiguranti le curve di rendimento della stessa tipologia di motori MAN utilizzati in questa tesi, sempre alimentati a NG.

Mentre i valori di rendimento dei motori MAN (in modalità NG), riportati in Figura 10.1, sono uguali nel caso di assenza di recuperi energetici, e comunque simili in presenza di questi impianti, i dati riportati nella Figura 10.2 mostrano la notevole differenza di rendimento, ai diversi carichi già in assenza degli impianti di recupero energetico. Tale notevole differenza permane anche considerando l’apporto dei sistemi di recupero energetico, con il funzionamento con HFO sempre svantaggiato rispetto al NG, a parità di configurazione del motore (senza o con i sistemi di recupero energetico).

10.2.2 Impianto Benassi

Effettuando un confronto tra l’impianto presentato in questa Tesi di Laurea (Figura 6.20) e quella riferita alla configurazione ‘’Benassi’’ (Figura 5.14), si nota che, essendo i due impianti IEP con la sbarra alimentata in corrente continua e avendo eliche con le stesse caratteristiche geometriche e prestazionali, i rendimenti a valle dei motori sono uguali. La differenza è esclusivamente sul funzionamento dei singoli motori e dalla diversa ottimizzazione dell’impianto.

È da precisare infatti che la presenza di una turbina a gas (TAG) cambia radicalmente l’andamento dei rendimenti globali al variare della velocità. La TAG ha un rendimento tanto maggiore tanto più è alto il carico, inoltre questo tipo di macchina prevede sempre la presenza di un impianto a vapore che recupera gran parte del calore dei gas all’uscita della turbina.

Nelle figure di seguito riportate, ove siano presenti curve relative alla tesi riguardante la configurazione ‘’Benassi’’ sono presenti dei simboli ad ogni valore di velocità nave. Ogni simbolo e ogni colore corrispondono ad una combinazione diversa dei carichi dei motori in funzionamento per tale configurazione. Le condizioni di funzionamento dei singoli motori nelle diverse configurazioni di recupero dell’impianto IEP qui presentato, sono riportate nelle Tabelle 10.1, 10.2, 10.3 e 10.4 [25]. Le curve che si riferiscono ai risultati relativi alla tesi di Rebecca Benassi sono quelle indicate con le diciture COGES, ad indicare che l’impianto preveda l’installazione di una TAG. Queste sono differenziate a seconda delle

diverse turbine studiate: GE251 e TITAN250. Le curve con le diciture ‘’no rec’’, ‘’HTC’’,

‘’WHR’’ e ‘’WHR + HTC’’ sono le configurazioni studiate per l’impianto presentato in questa Tesi di Laurea.

Figura 10.3 – Confronto delle configurazioni ‘’Figoli’’ e ‘’Benassi’’ senza che in quest’ultima siano presenti WHR per i MCI

Tabella 10.1 – Legenda per le Figure 10.3 e 10.7 COGES MCI MCI DG DG

- 73.67 73.67 -

-- 85.58 85.58 -

-- 85.59 85.59 85.62

-53.23 - - -

-60.93 - - -

-68.79 - - -

-79.83 - - -

-89.21 - - -

-96.74 - - -

-87.13 86.66 - -

-96.57 96.35 - -

-66.24 - - -

-75.2 - - -

-84.12 - - -

-96.01 - - -

-82.66 82.03 - -

-90.09 89.37 - -

-89.49 88.77 - 88.79 88.79

91.71 90.52 90.52 -

-% LOAD

LEGENDA

Figura 10.4 – Confronto delle configurazioni ‘’Figoli’’ e ‘’Benassi’’ senza che in quest’ultima siano presenti WHR per i MCI

Tabella 10.2 – Legenda per le Figure 10.4 e 10.8 COGES MCI MCI DG DG

- 78.83 78.83 -

-- 79.67 79.67 79.7

-- 80.33 80.33 80.36 80.36

57.49 - - -

-65.56 - - -

-73.69 - - -

-85.05 - - -

-94.18 - - -

-90.3 - - 89.78 89.78

86.59 86.27 - 86.29

-95.91 95.68 - 95.69

-64.51 - - -

-74.16 - - -

-83.76 - - -

-93.02 - - -

-90.59 - - 89.94 89.94

89.55 88.85 - -

-86.17 85.53 - 85.55 85.55

87.85 87.18 87.18 -

-96.91 96.69 96.69 -

-LEGENDA % LOAD

Figura 10.5 – Confronto delle configurazioni ‘’Figoli’’ e ‘’Benassi’’ considerando che in quest’ultima siano presenti WHR per i MCI

Tabella 10.3 - Legenda per le Figure 10.5 e 10.9

COGES MCI MCI DG DG

- 68.73 68.73 -

-- 80.1 80.1 -

-- 80.69 80.69 81.37

-- 83.47 83.47 84.05 84.05

60.93 - - -

-68.79 - - -

-79.83 - - -

-89.21 - - -

-96.74 - - -

-86.05 85.16 - -

-95.52 95.06 - -

-75.2 - - -

-84.12 - - -

-96.01 - - -

-81.55 80.27 - -

-88.89 87.76 - -

-88.43 87.29 - 87.73 87.73

89.29 88.17 88.17 -

-LEGENDA % LOAD

Figura 10.6 – Confronto delle configurazioni ‘’Figoli’’ e ‘’Benassi’’ considerando che in quest’ultima siano presenti WHR per i MCI

Tabella 10.4 - Legenda per le Figure 10.6 e 10.10

Confrontando le linee, che si riferiscono alle due diverse configurazioni impiantistiche nelle Figure 10.3, 10.4, 10.5 e 10.6, si apprezzano le potenzialità di un sistema di ottimizzazione

COGES MCI MCI DG DG

- 73.66 73.66 -

-- 85.14 85.14 -

-- 85.15 85.15 85.67

-57.49 - - -

-65.56 - - -

-73.69 - - -

-85.05 - - -

-94.18 - - -

-90.3 - - 89.78 89.78

90.55 89.67 - -

-94.89 94.42 - 94.62

-74.16 - - -

-83.76 - - -

-93.02 - - -

-90.59 - - 89.94 89.94

88.28 87.17 - -

-90.35 89.3 - 89.68

-85.85 84.7 84.7 -

-94.88 94.33 94.33 -

-LEGENDA % LOAD

implementato su Matlab, che consente di ottenere un andamento dei rendimenti senza discontinuità. Un metodo di ottimizzazione ‘’a tentativi’’ permette di scegliere il rendimento migliore tra un numero limitato di opzioni, mentre il codice descritto nel capitolo 7 seleziona il miglior rendimento globale tra un grande numero di soluzioni.

Le Figure 10.3 e 10.4 rappresentano il caso in cui nella configurazione ‘’Benassi’’ non vi siano i recuperi energetici associati ai MCI, mentre, come già detto, è presente il recupero associato alla TAG. Confrontando i casi tra la configurazione in assenza di recuperi della configurazione ‘’Figoli’’ con le due casistiche relative alla configurazione ‘’Benassi’’ si nota come per velocità basse, per cui non si prevede l’utilizzo della turbina a gas, il rendimento relativo alla curva ‘’no rec’’ risulti maggiore rispetto alle altre curve. Avendo i motori le stesse caratteristiche specifiche si ottiene questo risultato probabilmente per via della diversa ottimizzazione dell’impianto. Considerando ancora tali rette, si nota che appena si raggiunge una velocità tale per cui la TAG inizi ad essere selezionata per la propulsione (19 nodi), la differenza tra le rette diventa evidente, per via delle turbine a gas con recupero che possiedono un rendimento elevato. Per quanto riguarda la configurazione che possiede la HTC si ha un rendimento maggiore di circa 3% per le basse velocità, mentre per velocità maggiori questi sono mediamente simili.

Eseguendo i medesimi confronti nelle Figure 10.5 e 10.6, si nota come nel caso in cui sia presente la sola caldaia a recupero nella configurazione ‘’Figoli’’, il confronto, in corrispondenza di velocità basse, è simile a quello fatto precedentemente per le Figure 10.3 e 10.4 essendo in entrambi i casi presente il sistema WHR per i MCI. Per velocità maggiori i rendimenti sono mediamente simili. La differenza tra i due impianti si nota se si confrontano le curve ‘’Benassi’’ e quella relativa all’impianto studiato per questa tesi con l’implementazione di tutti i recuperi trattati. In questo caso, infatti, il rendimento risulta essere sempre largamente maggiore raggiungendo un picco di differenza pari a circa 7% in corrispondenza del valore di velocità nave di 19 nodi.

Una sostanziale differenza si ha per le velocità massime raggiungibili dai due impianti: a differenza di quanto riportato in Tabella 7.11, le velocità massime della nave, alimentata dall’impianto propulsivo della configurazione ‘’Benassi’’, raggiungono valori di almeno 26 nodi.

Figura 10.7 – Confronto delle configurazioni ‘’Figoli’’ e ‘’Benassi’’ senza che in quest’ultima siano presenti WHR per i MCI

Figura 10.8 – Confronto delle configurazioni ‘’Figoli’’ e ‘’Benassi’’ senza che in quest’ultima siano presenti WHR per i MCI

Figura 10.9 – Confronto delle configurazioni ‘’Figoli’’ e ‘’Benassi’’ considerando che in quest’ultima siano presenti WHR per i MCI

Figura 10.10 – Confronto delle configurazioni ‘’Figoli’’ e ‘’Benassi’’ considerando che in quest’ultima siano presenti WHR per i MCI

Per i confronti rappresentati nelle Figure 10.7, 10.8, 10.9 e 10.10 si possono fare le identiche considerazioni fatte per le Figure 10.3, 10.4, 10.5 e 10.6. Come già scritto precedentemente, infatti, l’architettura degli impianti propulsivi a valle dei motori, così come i rendimenti dei loro componenti, sono stati considerati identici.