Gruppo frigo ad assorbimento modulante

L’utilizzo di un chiller ad assorbimento di taglia maggiore potrebbe essere una valida alternativa per combattere gli elevati consumi relativi all’acquisto di energia elettrica dalla rete nel periodo estivo. La possibilità di modulazione inoltre eviterebbe eccessivi sprechi di vapore e la produzione di energia frigorifera superiore all’effettiva richiesta, soprattutto nei mesi dove è più bassa (stagioni intermedie), permettendo di inseguire il carico frigorifero ed evitare accensioni non necessarie dei chiller elettrici.

Si è scelto di utilizzare nuovamente un gruppo frigorifero ad assorbimento alimentato a vapore, prelevato dal catalogo Thermax Steam-Driven, sul quale è riportato anche un andamento qualitativo del consumo di vapore al variare del carico parziale, riportato anche in Figura 7.8. Sullo stesso catalogo si parla di modulazione continua in un range che va dal carico nominale al 10%, e l’alimentazione è sempre a vapore saturo a 8 bar (come riportato sul catalogo in unità di misura alternativa, 8 kg/cm2_{). Il modello scelto è il 2B 2N C, che possiede}

una capacità di refrigerazione nominale di 763.1 kW (217 Ton of Refrigeration), consumo nominale di vapore pari a 825 kg/h, e coefficiente di prestazione nominale pari a 1.393. La scelta è ricaduta su tale modello perché,

152 nel caso di accoppiamento con il motore a combustione interna descritto al capitolo precedente, permette, sommato al carico di vapore, un migliore utilizzo del calore recuperato29_.

Figura 7.8: Consumo di vapore ai carichi parziali per l'assorbitore modulante preso in considerazione

La function creata è fondamentalmente identica a quella dei chiller elettrici, con variabili in ingresso che sono il carico richiesto e la temperatura alla torre di raffreddamento, e con variabili in uscita che sono la capacità massima, il coefficiente di prestazione, l’effettiva energia termica utilizzata e la capacità effettiva del chiller. Tra gli altri ingressi è prevista però anche l’energia termica disponibile, sotto forma di calore ad alta temperatura prodotto dai sistemi di cogenerazione, che limita la capacità frigorifera del chiller a quella massima disponibile data dal prodotto tra il coefficiente di prestazione e la potenza termica in ingresso alla function. Se la richiesta frigorifera è minore di questa quantità allora il chiller può inseguire il carico, altrimenti è limitato alla massima potenza frigorifera disponibile.

I calcoli per giungere alla determinazione della massima potenza frigorifera sono gli stessi visti al Capitolo 4.3, ed utilizzano le definizioni di COP di Carnot ed efficienza exergetica, mantenuta costante.

7.2.3 Confronto

L’utilizzo di un cogeneratore modulante (di seguito denominato MICE – Modulating Internal Combustion

Engine) sembra portare ad un netto decremento del costo annuale, con un risparmio del -2.55% utilizzando la

strategia RTOO (circa -15˙700 €/anno), risparmio fortemente concentrato nel periodo estivo, dove a fronte di una richiesta elettrica più elevata risulta necessario l’acquisto dalla rete, parzialmente limitabile grazie al nuovo motore di taglia maggiore. In Figura 7.11 si riporta l’andamento del costo per time step nel periodo estivo e

29 _{Il picco massimo della richiesta di energia termica per la produzione di vapore si attesta sui 311 kW, mentre la richiesta} in condizioni di carico nominale del nuovo gruppo frigorifero ad assorbimento è di 547.9 kW, per una richiesta massima di circa 860 kW. Il recupero termico dal nuovo motore invece è stato fissato a 1000 kW. Rimane quindi anche margine per alimentare gli scambiatori vapore-acqua.

153 nel periodo invernale, durante il quale i benefici derivanti dall’installazione di un nuovo cogeneratore non sembrano essere consistenti. In compenso, nel periodo invernale l’energia elettrica (Figura 7.9) non è mai prelevata dalla rete, ma anzi sempre immessa, mentre durante l’estate si assiste ad una frenata nella cessione di energia elettrica, anche in funzione della limitazione al carico nominale (Figura 7.10).

L’utilizzo dei chiller non subisce invece variazioni, in quanto l’assorbitore lavora praticamente per le stesse ore, essendo limitato dalla potenza in ingresso, di conseguenza anche gli altri chiller elettrici lavorano nelle stesse condizioni di funzionamento.

Figura 7.9: Scambio di energia elettrica con la rete

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155 Nonostante l’installazione possa risultare vantaggiosa da un punto di vista prettamente economico, il nuovo cogeneratore porterebbe ad un incremento delle emissioni in atmosfera, dal momento che la produzione incrementata di energia elettrica implica un consumo maggiore di gas naturale. Prendendo in considerazione la strategia RTOO, il contributo di emissioni legato all’acquisto dalla rete si riduce notevolmente (da 395 tonnellate di CO2 a 174 tonnellate di CO2), ma aumenta quello legato al consumo di combustibile (da 7123

tonnellate di CO2 a 7455 tonnellate di CO2), per un incremento complessivo del +1.47% annuo. Si osservi che

il motore non è praticamente mai soggetto a spegnimento: il fattore di carico parziale mediato sull’intero periodo è del 78.23% per la strategia IOM e del 78.25% per la strategia RTOO30_.

In quanto al nuovo gruppo ad assorbimento (MAC – Modulating Absorption Chiller) si può certamente notare come aiuti a ridurre l’effettivo utilizzo dei chiller elettrici (Figura 7.12), ma non sembra condurre a vantaggiosi ritorni economici, che anzi aumentano in virtù della richiesta di vapore più elevata. Anche l’accoppiamento tra le due macchine, per quanto riporti buoni risultati in termini di risparmio, non produce benefici attribuibili al nuovo chiller ad assorbimento, in quanto con il solo motore a combustione interna si ottengono risultati parziali migliori. In compenso, sia gli sprechi di energia termica per il raffrescamento, per il riscaldamento e soprattutto per la produzione di vapore, si riducono notevolmente (per la strategia RTOO la riduzione di energia frigorifera “sprecata” è del -19.8%, per il calore a bassa temperatura è del -3.13%, mentre per il vapore si assiste ad una sostanziale riduzione -21.2%, equivalente a 161 MWh di energia termica all’anno), indice di un miglior utilizzo delle risorse a disposizione. L’Absorption Cooling to Cooling Load Ratio è infatti ampiamente più elevato, e spesso non è neanche necessario accendere i gruppi frigo elettrici.

Gli sprechi di vapore sembrano comunque ancora molto elevati, e questo potrebbe suggerire l’utilizzo di un assorbitore di taglia ancora più grande. In particolare, i modelli 2B 3M C e 2B 4K C, rispettivamente di potenza frigorifera nominale 1420 kW e 1270 kW (401 e 361 TR) e consumo nominale di vapore pari a 1012 kg/h e 911.1 kg/h (il coefficiente di prestazione delle due macchine è lo stesso del modello precedentemente analizzato, e valido per tutti i modelli presenti sul catalogo, 1.393) conducono ad un effettivo risparmio economico di qualche centinaio di euro, che per quanto sia irrisorio indica un dimensionamento di partenza non ottimale dell’assorbitore. Utilizzando due assorbitori più grandi si consegue anche una netta riduzione degli sprechi di energia ad elevata temperatura, che si dimezzano31_{, in virtù del massiccio utilizzo di vapore. Le}

due soluzioni non sono però state approfondite, e si rimandano a studi futuri il corretto dimensionamento dell’unità frigorifera ad assorbimento, certi che rappresenti un componente critico nell’attuale gestione quanto importante per un impianto di trigenerazione, e l’accoppiamento con un motore a combustione interna modulante che possa garantire una portata di vapore sufficientemente elevata per l’alimentazione del chiller.

30 _{Per la strategia IOM è utilizzato per 1322 time step a carico minimo del 50% e per 1300 time step al carico nominale,} quest’ultimo concentrato soprattutto in estate, mentre per la strategia RTOO le occorrenze per carico minimo e massimo sono rispettivamente 1038 e 996.

31 _{Per la strategia RTOO si passa da uno spreco di energia termica ad alta temperatura di 760.54 MWh a 346.36 MWh} annui, per uno spreco che scende dal 36.19% al 20.53%, che suggerisce una produzione di vapore più elevata a seguito dell’installazione di un assorbitore di taglia maggiore, dal momento che il decremento percentuale è minore rispetto alla riduzione in MWh.

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Figura 7.12: Confronto tra l'effettivo utilizzo dei chiller. In alto l'andamento orario su tutto l'anno, in basso a sinistra la percentuale

di energia frigorifera fornita dai quattro gruppi, in basso a destra l'Absorption Cooling to Cooling Load Ratio, sensibilmente maggiore in seguito all’installazione del nuovo gruppo frigorifero ad assorbimento con capacità di modulazione

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8 – Conclusioni