Determinazione dei fabbisogni termici ed elettrici

La determinazione dei fabbisogni è un processo fondamentale per arrivare ad una scelta consapevole del motore primo del nostro sistema cogenerativo.

Fatto salvo quanto già affermato, si vuole ribadire, come discriminante fondamentale di scelta tra la tecnologia a combustione interna e le microturbine, che mentre i primi sono più indicati per far fronte a carichi variabili nel tempo ed hanno una maggior capacità di produzione elettrica a discapito di quella termica, i secondi sono più indicati per carichi costanti nel tempo ed hanno una potenzialità termica molto più elevata.

Lato elettrico, la determinazione dei fabbisogni d’azienda è abbastanza semplice. Accantonando momentaneamente considerazioni legate alle perdite della rete di distribuzione interna al sistema, l’energia prelevata e contabilizzata coincide, di fatto, con i fabbisogni stessi; interfacciandosi il cogeneratore con il quadro di distribuzione generale, l’energia prodotta sarebbe assoggettata alle medesime perdite di rete di quella invece prelevata, fatta eccezione per il tratto di linea che conduce dal quadro di partenza, installato a valle del contatore di misura del distributore, al quadro generale di distribuzione. Possiamo comunque considerare trascurabile questa perdita ai fini della valutazione del fabbisogno d’utenza.

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I fabbisogni elettrici annui, FE_a, possono dunque essere così calcolati:

𝐹𝐸_! = 𝐹𝐸_!

!" !!!

  (3.4)

Dove FEm indica i fabbisogni elettrici mensili riportati sulla fattura del distributore. Lato termico, le cose sono invece notevolmente più complesse.

Per chiarire questo concetto si faccia per semplicità riferimento ad un cogeneratore alimentato a gas naturale allacciato alla rete di distribuzione nazionale.

Il primo punto di complessità aggiunta è imputabile al fatto che, mentre un kWhe

identifica la medesima quantità di energia in qualsiasi punto della rete lo si prelevi, lo stesso non si può dire per i prelievi di gas; affinché l’uguaglianza fosse verificata, il metano dovrebbe trovarsi all’interno dell’intera rete di distribuzione alle medesime condizioni, ad esempio, nelle condizioni standard: 15°C, 1 atm.

E’ possibile affermare, senza indugi, che ciò è irrealizzabile.

Dato che le proprietà del gas, in particolar modo la densità dello stesso, che dipende dalla temperatura e dalla pressione all’interno delle condotte, variano sensibilmente al variare delle condizioni al contorno, un metro cubo di gas contabilizzato da un contatore volumetrico avrà caratteristiche differenti nel tempo e nello spazio.

Anche la stessa composizione chimica del gas naturale varia: principalmente composto da metano (CH4), il gas naturale contiene al suo interno in percentuali variabili anche altri gas combustibili come ad esempio etano (CH3CH3), propano (CH3CH2CH3), butano

(CH₃CH₂CH₂CH₃), nonché, in piccole quantità, pentano (C₅H₁₂).

Tutto ciò porta a costatare che il potere calorifico del gas naturale distribuito dalla rete [kcal/m3] non sia costante nel tempo.

Sul sito del distributore Snam Rete Gas, distributore leader per il mercato italiano, è possibile reperire, suddivisi per anni termici, i poteri calorifici superiori (PCS) convenzionali annuali, in [GJ/Smc], del gas metano distribuito in una zona specifica da un determinato impianto.

Discorso analogo, sempre riferito alle proprietà, è spendibile in merito alle caratteristiche di qualsiasi altro combustibile utilizzabile per l’alimentazione di un gruppo cogenerativo.

Non potendo essere svolte, dunque, soprattutto in fase preliminare di progetto, analisi approfondite e dettagliate, si utilizza come potere calorifico del metano un valore

convenzionalmente stabilito; sarebbe opportuno, se in possesso di questo dato, utilizzare lo stesso potere calorifico per il combustibile utilizzato dal produttore della macchina

cogeneratrice per lo svolgimento delle prove e dei collaudi a banco.

I valori che si andranno così ad ottenere possono essere confrontati tra loro ed essere utilizzati per l’analisi energetica che porterà alla scelta del cogeneratore.

Altro aspetto da tenere in considerazione è la possibile presenza, all’interno

dell’azienda, di più utenze termiche, alimentate tramite il medesimo punto di prelievo. Possono essere presenti, ad esempio, molteplici unità di produzione termica e di differenti taglie e tipologie.

Il fabbisogno termico da considerarsi per un corretto dimensionamento del cogeneratore dovrebbe essere unicamente quello direttamente imputabile ad un sistema di utenze con cui il cogeneratore stesso può interfacciarsi.

Il costo dell’impianto idraulico, insieme di tubazioni coibentate, valvole e scambiatori, è tanto più elevato, a parità di potenza termica in gioco, quanto più è elevata la complessità della rete di distribuzione interna ideata.

Può dunque risultare economicamente sconveniente, anche se tecnicamente realizzabile, il servizio di alcune particolari utenze termiche: non interfacciandosi di fatto con il cogeneratore non dovrebbero essere prese in considerazione nella stima dei fabbisogni termici da soddisfare.

All’interno di complessi sistemi energetici industriali, ben diversi da quelle che potrebbero essere utenze domestiche o residenziali, sono in genere facilmente individuabili alcune macro utenze il cui consumo ha un peso considerevole e con le quali è opportuno interfacciarsi in prima battuta anche semplicemente per una questione di scala di consumo.

Potrebbe anche essere già configurata una rete di distribuzione di termovettore con il quale il cogeneratore può direttamente interfacciarsi senza introdurre particolari complicazioni impiantistiche.

Potrebbe essere questo, per esempio, il caso di un’azienda all’interno della quale viene distribuita acqua calda come fluido termovettore.

Nel caso della filiera lattiero-casearia, sono in genere presenti alcune caldaie utilizzate per la produzione di vapore o acqua surriscaldata. Il termovettore generato sarà poi immesso nel circuito di alimentazione termica delle caldere, all’interno delle quali si produrrà il formaggio.

Queste utenze possono avere potenzialità di alcuni MWt e sono utilizzate a pieno regime per alcune ore al giorno; va da sé che la presenza all’interno dell’azienda di alcune utenze termiche minori, come potrebbero essere una cucina a disposizione dei dipendenti o alcune caldaie murarie da pochi kWt, possano essere praticamente trascurate al fine del calcolo dei fabbisogni d’utenza.

Ciò, come facilmente intuibile, semplifica notevolmente l’analisi da condurre. Il carico termico globale mensile indicativo, premesso quanto sopra, può essere così ottenuto:

𝐶𝑇_! = 𝑉_!∗ 𝑃𝐶𝐼 ∗ 𝜂_!"   (3.5)

dove, nell’ordine, sono indicati la portata volumetrica mensile di metano (𝑉_!), che nel caso in esame coinciderà con i prelievi dalla rete, il potere calorifico inferiore del gas metano (PCI), coincidente con quello utilizzato per la redazione dei dati di targa del cogeneratore, se noto, ed il rendimento di conversione termica (η_ct) del gruppo di generazione installato.

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Il rendimento di conversione termica non è di facile reperimento, o stima, perché dipende fortemente dalle condizioni di funzionamento della stessa che spesso sono ben lontane da quelle nominali oltre che essere diversificate nel tempo a causa dei differenti cicli di

produzione compiuti dalla stessa macchina nel tempo.

Si deve dunque compiere una stima identificando un rendimento medio.

Il carico termico annuale (CT_a) si ottiene dalla sommatoria di tutti i carichi termici globali mensili:

𝐶𝑇_! = 𝐶𝑇_!