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CAPITOLO 6. RISULTATI

6.2. Applicazione al caso studio del porto

6.2.1. Costi annuali e CO 2 equivalente

In ultima analisi, si è deciso di effettuare un confronto tra l’utilizzo dell’impianto proposto e il prelievo di energia dalla rete elettrica nazionale, al fine di soddisfare la domanda annuale dell’area portuale. A questo proposito, vengono determinati i consumi annuali, con i relativi costi, che caratterizzano i due scenari. Infine, viene confrontata la produzione di CO2

equivalente prodotta dall’impianto con quella di un ciclo combinato tradizionale, per determinare se l’impianto proposto porta effettivamente ad un beneficio in termini di emissioni di gas serra.

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• Confronto con il prelievo dalla rete nazionale

In primo luogo, è necessario ipotizzare i giorni di funzionamento del sistema. Considerando che il porto richiede potenza durante tutto l’anno e che il servizio di rigassificazione tipicamente ha un funzionamento continuo, si è fissato un numero di giorni di funzionamento pari a 365.

Definito tale valore, si possono calcolare i consumi annuali dell’impianto a partire dai valori giornalieri, precedentemente determinati, dai quali si ottiene:

− un consumo annuale di gas naturale pari a 54.378 t/anno; − un prelievo di energia elettrica dalla rete di 16,52 GWh/anno.

Per quanto riguarda il prelievo di energia elettrica dalla rete, in caso di assenza dell’impianto, questo sarà uguale al fabbisogno annuale di energia elettrica del porto, determinato al capitolo 4 e pari a 467,21 GWh/anno.

Si possono ora determinare i costi legati a tali consumi. In questa trattazione si ipotizza di confrontare tra loro i costi della materia prima, cioè del gas naturale e dell’energia elettrica, senza considerare quelli legati ai servizi di trasporto e distribuzione, e a tutti gli oneri ancillari. Inoltre, si è deciso di prendere come anno di riferimento per tali prezzi il 2019, in modo che essi non siano influenzati dagli effetti della pandemia da Covid-19. Per il gas naturale si considera il costo medio del gas sul mercato del giorno prima, mentre per quello dell’energia elettrica il PUN1 medio. Entrambi questi valori vengono determinati a partire dai dati forniti dal GME (Gestore Mercati Energetici) per l’anno 2019 e risultano:

− per il gas naturale pari a 16,1 €/MWh [87]; − per l’energia elettricapari a 52,3 €/MWh [88].

Per il gas naturale, prima di poterne calcolare il costo, si rende necessaria una conversione da t/anno a kWh/anno. A tale scopo per il GNL si considerano i seguenti valori:

− la densità specifica di 0,75 kg/Sm3 [89];

− il fattore di conversione pari a 10,94 Sm3/kWh [90].

In tabella 6.5 sono ripostati i costi del combustibile e dell’energia elettrica prelevata dalla rete nei due scenari considerati.

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Tabella 6.5: Costi relativi alle materie prime nei diversi scenari considerati.

Scenario Costi Valore

Impianto proposto

Combustibile (GN) 12,74 Milioni €/anno Energia elettrica prelevata 0,86 Milioni €/anno Totale costi impianto 13,61 Milioni €/anno Prelievo dalla rete nazionale Energia elettrica prelevata 23,58 Milioni €/anno

Dal confronto tra i costi totali dei due scenari si può notare che la presenza dell’impianto permette di ottenere un risparmio sui costi della materia prima pari al 42,30%, che corrisponde a 9,97 Milioni €/anno.

• Produzione di CO2 equivalente

Noto il consumo di combustibile annuale, che in questa trattazione è stato ipotizzato metano puro, è possibile determinare le emissioni di CO2 prodotte dall’impianto considerando

la reazione stechiometrica di combustione del metano (equazione 6.1).

𝐶𝐻4+ 2𝑂2 → 𝐶𝑂2+ 2𝐻2𝑂 eq. 6.1 Da tale valutazione risulta una produzione pari a 149.539 t/anno di emissioni di CO2. Dividendo

tale valore per l’energia prodotta annualmente dall’impianto, del valore di 450,69 GWh/anno, si determina un fattore di emissione della CO2 pari a 331,8 g/kWh.

Per valutare se l’impianto proposto porti effettivamente ad una riduzione delle emissioni di CO2, rispetto a quelle che si produrrebbero con un impianto combinato convenzionale, si

considera il fattore di emissione fornito da ISPRA per questa tipologia di impianti e riferito al 2019. Tale valore è pari a 387,7 g/kWh [91] e, a parità di produzione di energia elettrica, porta ad un valore di emissioni di CO2 di 174.729 t/anno. Dall’analisi condotta risulta una riduzione

di queste emissioni pari al 14,42% rispetto ad un ciclo combinato convenzionale, cioè del valore di 25.190 t/anno.

In conclusione, dall’utilizzo dell’impianto proposto in questo studio, si ottiene un beneficio sia economico, grazie alla riduzione dei costi operativi rispetto all’acquisto di energia elettrica dalla rete, sia ambientale, grazie alla diminuzione delle emissioni di gas serra rispetto al caso in cui, la stessa quantità di energia elettrica, venga prodotta da un impianto a ciclo combinato convenzionale.

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CONCLUSIONI E SVILUPPI FUTURI

Nel presente lavoro è stata effettuata un’analisi delle prestazioni in off-design di un sistema integrato per la produzione di energia elettrica e la rigassificazione del GNL, al fine di svincolare l’elettrificazione delle banchine di un’area portuale dalla rete elettrica nazionale e, contemporaneamente, sfruttare l’exergia fisica disponibile nel GNL. Come caso studio si è scelto di non considerare un porto reale, ma di ipotizzare un generico contesto portuale sul quale determinare la curva di carico giornaliera. Per tale contesto è stato preso a riferimento il porto di Genova che, insieme ai dati ottenuti dai DEASP di alcune Autorità Portuali italiane, ha fornito la base di dati sulla quale è stato determinato il fabbisogno energetico giornaliero. Per quanto riguarda l’architettura del sistema, si è scelta come struttura di base la migliore configurazione impiantistica, determinata in condizioni di progetto, da un precedente lavoro di tesi.

Lo studio dell’impianto è stato condotto attraverso l’utilizzo del software Aspen HYSYS, il quale ha permesso non solo la modellazione dell’impianto, ma anche l’attuazione di un controllo ottimizzato delle simulazioni basato sulla massimizzazione della potenza elettrica prodotta. Questo strumento, inoltre, ha consentito di caratterizzare facilmente i componenti principali dell’impianto, attraverso l’implementazione di formule semplificate che ne definiscono il comportamento al variare delle condizioni operative.

L’analisi delle simulazioni in off-design ha evidenziato che il sistema risulta flessibile ed efficiente al variare sia del carico elettrico dell’impianto che della portata di GNL da rigassificare. Infatti, se da un lato le potenze elettriche prodotte dai sottosistemi si riducono al diminuire del carico, il rendimento elettrico mantiene valori elevati e un andamento che nel complesso può essere considerato costante, come è tipico per i cicli combinati. Questo andamento si riscontra anche nelle simulazioni con portate di GNL inferiori alla portata nominale, rendendo il sistema molto flessibile sia in termini di potenza prodotta che di portate da rigassificare. Per quanto riguarda il rendimento di secondo principio, al variare della portata di GNL, si nota che al diminuire del carico le perdite si riducono generando un andamento del rendimento che tende ad essere costante; mentre, a portate di GNL più elevate, si ottengono maggiori perdite al diminuire del carico. Come era prevedibile, l’impianto presenta migliori prestazioni durante le simulazioni con portata massima di GNL, alle quali si ottiene un valore medio del rendimento elettrico al variare del carico del 62,10% e di quello di secondo principio del 47,22%.

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Alla luce dei risultati ottenuti dalle simulazioni, è stato possibile far variare il carico elettrico dell’impianto al fine di seguire la domanda di energia del porto durante una giornata tipo. Dall’analisi del suo funzionamento si osserva che grazie alla sua elevata efficienza e flessibilità il sistema risponde bene alle variazioni di carico richieste, riuscendo a mantenere un rendimento elettrico medio elevato, pari al 61,10%, sebbene lavori per la maggior parte della giornata a carico parziale. Questo risultato, insieme agli elevati costi richiesti per l’allacciamento alla rete elettrica nazionale, giustifica la scelta di sovradimensionare l’impianto rispetto alla potenza richiesta più frequentemente dal porto. Infine, da una valutazione dei costi annuali, in termini di combustibile ed energia elettrica prelevata dalla rete, e delle emissioni di CO2 equivalente,

si riscontra un risparmio del 42,30% sui costi e del 14,42% sulle emissioni, rispetto allo scenario in cui la domanda di energia del porto venga soddisfatta attraverso il prelievo dalla rete elettrica nazionale. Si può concludere che la realizzazione di un impianto per la generazione di potenza e la rigassificazione del GNL a servizio di un’area portuale permette di soddisfare efficientemente parte della domanda di energia del porto con un significativo beneficio sia economico che ambientale.

Uno sviluppo futuro di questo lavoro potrebbe approfondire il comportamento in off-design del sistema al variare della composizione del GNL che arriva al terminale di rigassificazione. Come è noto, uno dei vantaggi del gas naturale liquefatto consiste proprio nella possibilità di approvvigionarsi da soggetti diversi, a cui segue una variazione della composizione e delle proprietà del GNL. L’influenza di questo cambiamento su ciascun componente dell’impianto è da investigare con attenzione. Come ulteriore sviluppo si potrebbe studiare l’evoluzione dell’impianto proposto in un sistema di poligenerazione per la produzione di energia, di freddo e di caldo. Questa modifica permetterebbe di alimentare sia la rete di teleraffrescamento che di teleriscaldamento del porto, o eventualmente della città stessa, recuperando ulteriormente exergia dal GNL e dai fumi. La presenza del recupero del freddo sarebbe interessante non solo dal punto di vista energetico, ma anche dal punto di vista ambientale ed economico, poiché contribuirebbe a mitigare il riscaldamento globale, grazie alla sostituzione dei sistemi di refrigerazione tradizionali, e permetterebbe di accedere a vantaggi fiscali legati alla cogenerazione. Inoltre, nell’ottica di realizzare una port-grid, si potrebbe integrare l’impianto di generazione con le fonti rinnovabili e i sistemi di storage presenti nel porto e con la rete elettrica nazionale. Sebbene queste soluzioni tecniche siano attraenti, potrebbero portare ad una maggiore complessità strutturale dell’impianto e, quindi, ad un aumento dei costi di investimento per la sua realizzazione. Per tale ragione sarebbe interessante condurre un’analisi accurata di tale sistema, esplorando sia gli aspetti impiantistici che economici.

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