Discussione risultati simulazioni termodinamiche

Dal confronto tra le diverse configurazioni e tra i diversi modelli impiantistici, si sono potute ricavare le seguenti considerazioni:

 Solamente in uno dei quattro modelli proposti, l’introduzione del sistema di pre-raffreddamento dell’aria ha portato dei benefici sensibili sul rendimento di secondo principio; inoltre anche nel caso favorevole, l’incremento di rendimento nella configurazione ottimale è stato pari ad un modesto 0.6%. Nonostante il miglioramento portato al funzionamento della turbina a gas, dal punto di vista termodinamico la scelta di tale sistema non si è dimostrata efficace per migliorare il funzionamento dell’impianto nel suo complesso. Si deve ricordare comunque che le simulazioni sono state effettuate in condizioni

135 stazionarie di progetto con una temperatura di ingresso media dell’aria per il funzionamento annuale; se considerassimo solo la stagione estiva, con temperature ambientali maggiori, i benefici sarebbero molto più sensibili almeno dal punto di vista termodinamico;

 Le potenze ottenute nelle simulazioni ottimali sono perfettamente all’interno dei limiti prefissati per ogni modello considerato, risultando sempre maggiori nel caso di assenza di pre-raffreddamento. Ad eccezione del Progetto 4, si ha maggiore potenza prodotta per portate di GNL più elevate, con il Progetto 2 che riesce a sfiorare anche i 70 MWe mantenendo 𝜼𝑰𝑰vicino al 40%.

 Anche le temperature di uscita dei fumi si mantengono a livelli ottimi e sempre al di sopra del limite minimo imposto di 90°C, restando un po’ alte solo nel Progetto 3 in quanto la presenza di un solo sottosistema non consente un recupero maggiore del calore disponibile.

 I cicli bottoming risultano funzionare meglio sempre nella modalità senza pre- raffreddamento sia dal punto di vista della potenza utile prodotta sia dal punto di vista del rendimento energetico. I cicli ORC si sono dimostrati quelli in grado di interagire meglio con le condizioni imposte, facendo registrare, in entrambi gli impianti, un rendimento superiore al 39% in condizioni di ottimo. Considerando i rendimenti tipici di un sistema ORC per le taglie ottenute, variabile dal 20% al 30%, si capisce il grande vantaggio che ottengono questi sistemi nell’operare con il GNL, abbassando notevolmente le temperature di condensazione. Il ciclo Brayton-Joule ad azoto risulta invece più penalizzato, in quanto i processi di scambio avvengono sempre in fase gas, rendendo necessario l’impiego di elevate portate di fluido e quindi l’utilizzo di una maggiore quantità di calore in ingresso al sistema. Tale fatto è poi amplificato dalla necessità di raffreddare molto l’azoto per ridurre il lavoro specifico di compressione e garantire l’erogazione di potenza utile dal ciclo. A parità di fonte di calore disponibile, risulta quasi scontato che sia il ciclo ORC a funzionare molto meglio.

 Globalmente, si è confermato come il Progetto 2 sia quello migliore dal punto di vista termodinamico, in quanto presenta un funzionamento molto costante in tutte le condizioni operative; sia nel caso con pre-raffreddamento sia senza si ottengono rendimenti vicini al 40% in ogni condizione, dimostrando come l’integrazione tra turbina a gas, GNL e ciclo ORC risulti essere la migliore. Il Progetto 4 è quello che ha mostrato il rendimento exergetico ottimale più alto, ma il suo campo di funzionamento risulta essere più stretto, rendendone efficace l’applicabilità solo a partire da valori intermedi del range di portate di GNL.

 Esaminando quanto ottenuto per il rendimento di generazione elettrica, gli impianti hanno registrato dei valori medi superiori ai dati tipici trovati in letteratura [36] per quanto riguarda il rendimento di primo principio di impianti

136 a ciclo combinato criogenici integrati con il GNL; questi infatti si muovono in un range variabile tra il 46% ed il 60%, mentre nei casi analizzati si è arrivati anche al 68%. I casi di ottimo di 𝜂𝐼𝐼 hanno invece registrato valori di 𝜂𝐼 sempre contenuti nel range 55%-61%, comunque molto elevati.

 Dal punto di vista dell’ottimizzazione del rendimento exergetico, i valori ottimali ottenuti nelle varie configurazioni risultano confortanti, considerando il numero e le tipologie di sistemi coinvolti e la definizione utilizzata.

Per fare un confronto con i dati disponibili in letteratura si devono considerare le definizioni date al rendimento exergetico e le condizioni al contorno e di funzionamento imposte nei diversi casi. Ad esempio, negli articoli proposti da Xiaojun e Agnew [28] e Dispenza e La Rocca [54], che analizzano dei cicli combinati basati sull’accoppiamento turbina a gas/ciclo Rankine e turbina a gas/Ciclo Brayton-Joule chiuso rispettivamente, si ritrovano dei valori superiori di 𝜂𝐼𝐼compresi tra il 47% ed il 55%; in entrambi i casi però si considerano gli stessi input, ma due effetti utili, ovvero la potenza elettrica e l’exergia fisica del gas naturale in uscita dall’impianto. Nei casi analizzati si è invece considerato come effetto utile solo la potenza elettrica utile, ottenendo simulazioni di ottimo con valori compresi tra il 40% ed un massimo vicino al 45%; per cui gli impianti risultano davvero molto efficienti dal punto di vista dello sfruttamento delle fonti in ingresso al sistema.

 Infine è doveroso sottolineare come si è ottenuto un alto livello di rigassificazione del GNL nei diversi scambiatori con i fluidi operativi dei cicli intermedi, eliminando così gran parte del calore disperso mediante scambiatori ad acqua. Questo fatto risulta ancora più evidente nel caso in cui è presente il pre-raffreddamento in quanto si ha l’ulteriore fase di scambio con il circuito acqua-glicole. Tuttavia anche nella configurazione senza pre-raffreddamento si sono ottenuti buoni risultati come mostrano i diagrammi T-Q riportati. Infatti Il Progetto 1 riesce ad ottenere una rigassificazione completa fin quasi alla temperatura ambiente solo nello scambiatore GNL-CO2, il Progetto 4 utilizza solo lo scambiatore N2-GNL, portando addirittura il gas a temperature ben più elevate di quella ambiente, mentre il Progetto 2 riesce comunque a completare più del 50% del processo nello scambiatore del ciclo bottom. L’unica configurazione più svantaggiata in tal senso risulta essere il Progetto 3, penalizzata dall’assenza di un secondo ciclo di potenza intermedio.

137