Scenario attuale e futuro degli impianti nel mondo

Nonostante il crescente interesse per questo argomento e i numerosi studi presenti in letteratura, ad oggi i sistemi che utilizzano il potenziale exergetico del GNL sono meno dell’1% [30]. Questo significa che al mondo sono pochi i paesi che hanno implementato queste tecnologie nei loro terminali di rigassificazione. Tra tutti, il Giappone è sicuramente il paese che più ha scommesso sul recupero dell’exergia fisica del GNL.

Il Giappone è da sempre il maggiore importatore di GNL nel mondo, ed è anche quello che per primo ha contribuito alla realizzazione di impianti per il recupero del potenziale criogenico del GNL. Qui, come mostrato nella tabella 3.2, i primi sistemi di rigassificazione integrati sono stati sviluppati alla fine degli anni ’70 e soprattutto negli anni ’80. La società più importante in

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questo settore è la Osaka Gas che, oltre ad aver sviluppato uno dei primi progetti, ad oggi, è quella ad aver realizzato il numero maggiore di impianti.

Tabella 3.2: Impianti di potenza con recupero exergetico dal GNL presenti in Giappone [35].

La maggior parte degli impianti giapponesi che sfruttano l’exergia fisica del GNL sono basati su cicli Rankine, con o senza espansione diretta del gas naturale, e prevedono delle unità di separazione dell’aria. Per esempio, nel terminale di Senboku, appartenente alla società Osaka Gas, è stato utilizzato un ciclo ORC che utilizza il propano come fluido di lavoro al fine di produrre una potenza di 1450 kW [37].

Oggi, in questo settore la capacità di potenza totale installata in Giappone è di circa 40 MW e permette di recuperare fino al 20-30% del potenziale exergetico del GNL. In particolare, le società Osaka Gas e Tokyo Gas sono le società che maggiormente hanno contribuito allo sviluppo di tecnologie per l’utilizzo dell’energia fredda del GNL [67].

Al di fuori del Giappone, l'utilizzo del GNL come fonte di energia fredda non è comune, tuttavia, recentemente, questa tendenza sta cambiando. Nell’ultimo decennio, fattori come il crescente interesse per il GNL, come combustibile chiave per la transizione energetica, l’introduzione di tasse sull’anidride carbonica e la ricerca di sistemi di refrigerazione più sostenibili, hanno fatto sì che anche in altre parti del mondo si sviluppassero progetti e iniziative per il recupero dell’exergia fisica dal GNL. Tra questi paesi sono presenti la Spagna, la Francia, la Cina e la Corea del Sud.

In Europa, la Spagna si distingue come il paese più attivo per quanto riguarda il recupero del potenziale exergetico dal GNL. In particolare, la società Enagas è stata la prima a realizzare un impianto di potenza con recupero di exergia dal GNL. Questo impianto, di potenza pari a 4,5 MW, è stato installato nel terminale di rigassificazione di Huelva nel 2013 e si basa su un ciclo ORC a propano che utilizza come sorgente di calore l’acqua di mare [35]. Sempre Enagas, nel 2015, ha realizzato un progetto che prevede l’utilizzo della diretta espansione del GNL

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rigassificato, per produrre energia elettrica nel terminale di Barcellona. Tale impianto potrebbe produrre una potenza massima di 4,3 MW e coprire circa il 20% dei consumi dell’impianto di rigassificazione [67].

Nei paesi asiatici, come Cina e Corea del Sud, l'exergia fisica di temperatura del GNL viene utilizzata principalmente per applicazioni di separazione dell'aria [35]. Ad esempio, in Corea del Sud, che è il terzo paese importatore di GNL, è stato proposto un impianto di separazione criogenica dell'aria che utilizza il GNL proveniente dal terminale di rigassificazione di Pyeongtaek. Tuttavia, da un’analisi più approfondita è stato riscontato che i benefici economici ottenibili erano inferiori alle aspettative [67].

Infine, a Porto Rico, nel 2000, è stato realizzato un impianto che integra un ciclo combinato con la rigassificazione del GNL. Per la parte di generazione, l’aria in ingresso alla turbina a gas viene raffreddata utilizzando come fluido termovettore una miscela di glicole. Questo permette di ridurre la temperatura dell’aria, che in questa regione può raggiungere valori elevati, fino a valori inferiori alla temperatura ambiente, migliorando il rendimento del ciclo [35].

In conclusione, l’installazione di queste tecnologie può variare a seconda: del paese; delle esigenze e dei vincoli del terminale di rigassificazione; dei vantaggi e svantaggi di ciascuna applicazione; della fattibilità tecnico-economica dell’impianto.

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CAPITOLO 4. CASO STUDIO

Come esposto nei capitoli 1 e 2, oggi, i temi riguardanti l’elettrificazione dei porti e il recupero di exergia dal GNL sono di notevole interesse. Questo lavoro cerca di trattare tali argomenti in modo congiunto attraverso lo studio di un sistema integrato per la produzione di energia elettrica e la rigassificazione del GNL, al fine di soddisfare il fabbisogno elettrico di un’area portuale.

In questo capitolo viene presentato il caso preso in esame sia dal punto di vista del fabbisogno di energia richiesto da un generico porto che del layout impiantistico considerato. Come area portuale non si fa riferimento ad un porto specifico in quanto si vuole mantenere una certa generalità. Tuttavia, al fine di stabilire le caratteristiche e i consumi del porto, vengono considerati i dati forniti da alcune Autorità Portuali italiane. Per quanto riguarda il layout impiantistico, si considera un impianto combinato costituito da un gruppo turbogas, con a monte un circuito per il raffreddamento dell’aria, da un ciclo ORC transcritico a CO2 e da un’unità di

espansione diretta del gas naturale.

4.1. Scopo dello studio

Dal capitolo precedente è stato appreso che esistono diversi studi riguardanti il recupero dell’exergia fisica del GNL durante il processo di rigassificazione. Tuttavia, la maggior parte di queste pubblicazioni si concentra principalmente sullo studio di singole applicazioni in condizioni nominali. Per quanto riguarda l’utilizzo di tali impianti per soddisfare il fabbisogno energetico di un’area portuale, in letteratura non sono stati trovati articoli in proposito. Questo lavoro si propone di riempire tale vuoto attraverso lo studio delle prestazioni in off-design del sistema e la successiva verifica della sua applicabilità in un contesto portuale.

Il capitolo 1 ha mostrato come l’emissione di sostanze inquinanti all’interno dei porti sia un problema molto sentito a livello globale, e come l’elettrificazione delle banchine possa ridurre notevolmente queste emissioni. Nell’ottica di rendere le aree portuali meno inquinate, sarà necessario fornire alle banchine una quantità sempre maggiore di energia elettrica. Per evitare che questa energia debba essere fornita dalla rete elettrica nazionale, richiedendone un rafforzamento, si può pensare di realizzare un impianto di potenza in prossimità del porto che permetta di soddisfarne il fabbisogno. Sempre in prossimità delle aree portuali, grazie all’aumento del commercio di GNL, sarà necessaria l’installazione di nuovi impianti di rigassificazione. Queste due esigenze possono ben integrarsi tra di loro grazie alla realizzazione di un impianto per la produzione di energia elettrica e la rigassificazione del GNL.

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Una struttura di questo genere potrebbe portare notevoli vantaggi, sia ambientali che logistici, alle zone portuali rendendole dei punti strategici non solo dal punto di vista commerciale ma anche energetico. Infatti, oltre a tutti i vantaggi legati all’implementazione del

cold-ironing, precedentemente enunciati nel capitolo 1, un impianto di questo tipo permette:

− di utilizzare il GNL rigassificato come combustibile nell’impianto di potenza, garantendo al contempo una riduzione delle emissioni inquinanti e dei costi di trasporto del combustibile, il quale viene prodotto in loco. Il GNL, essendo caratterizzato da una bassa percentuale di azoto e di zolfo, è considerato un combustibile molto più pulito rispetto ai combustibili bruciati a bordo delle navi durante le ore di stazionamento in porto;

− di recuperare parte dell’energia contenuta nel GNL, a fronte dell’installazione di pochi scambiatori aggiuntivi, consentendo di migliorare l’efficienza dei singoli cicli termodinamici e, di conseguenza, dell’intero sistema.

Questo lavoro di tesi si pone come continuazione dello studio precedentemente svolto da Francesco Migliarini [68], il quale ha confrontato tra loro varie configurazioni impiantistiche di sistemi integrati per la produzione di energia elettrica e la rigassificazione del GNL a servizio di un’area portuale. Il fine di tale studio era determinarne la migliore configurazione sia dal punto di vista termodinamico che economico in condizioni nominali. Di conseguenza, si sceglie di utilizzare la migliore soluzione, da lui individuata, come layout impiantistico di partenza. Su di essa viene condotta un’analisi in condizioni di off-design, al variare sia del carico elettrico dell’impianto che della portata di GNL da rigassificare che circola nel sistema, al fine di determinarne la flessibilità e l’efficienza. Successivamente, con i dati ottenuti viene analizzato il funzionamento del sistema durante la giornata tipo di una generica area portuale.