Simulazione architettura I

Si ricorda che per ogni architettura del sistema è stato selezionato un fluido organico di lavoro, in seguito sono state eseguite 54 ottimizzazioni termo-economiche corrispondenti a casi studio in cui si è fissata la potenza termica disponibile (uguale per tutti i casi studio), le taglie dei sottosistemi MED e Chiller (valori differenti da un caso studio all’altro) e prezzi di energia elettrica e acqua dissalata (valori differenti da un caso studio all’altro). I risultati ottenuti dalle ottimizzazioni sono stati elaborati su foglio elettronico riorganizzandoli in apposite mappe. L’architettura I propone l’integrazione di un ORC con un MED e un ciclo frigorifero a compressione di vapore (CRC). Come

fluido organico di lavoro è stato selezionato l’R245fa (Pentafluoropropano). La potenza termica disponibile è stata definita come:

˙

Qdisp = ˙mHT Fcp,HT F(Tmax− T0)

si è ipotizzata la disponibilità di 25 MW con temperatura del fluido termovettore di 170 °C. Ne consegue che nel sistema si ha una portata circolante di olio diatermico pari a 84 kg/s.

Al fine di definire lo scenario di ottimizzazione dei casi studio sono stati utilizzati i seguenti valori:

• taglia del Chiller: 500 kWf- 1000 kWf(142,5 - 285 tons of refrigeration);

• taglia del MED: 500 m3_{/day - 1000 m}3_{/day - 1500 m}3_/day;

• prezzo acqua dissalata: 0,8 $/m3 _{- 1,2 $/m}3 _{- 1,5 $/m}3_;

• prezzo energia elettrica: 0,06 $ /kWhel- 0,09 $ /kWhel- 0,12 $ /kWhel.

Le combinazioni di questi parametri permettono l’analisi di 54 differenti casi studio per ogni ar- chitettura così da verificare per quali taglie dei sottosistemi e prezzi dell’energia elettrica si può un prezzo di vendita dell’acqua competitivo con investimenti vantaggiosi. Il metodo più consono di rappresentare l’analisi di fattibilità economica svolta è quello di interpolare i dati e realizzare dei diagrammi relativamente alla singola combinazione di taglie che identifica 9 casi studio. In questo modo sarà possibile avere sugli assi cartesiani i prezzi di energia elettrica e acqua dissalata, con le iso-linee riportanti il valore del PI o del PBT. Nella didascalia viene anche inserito il valore medio della potenza elettrica che l’algoritmo di ottimizzazione riporta in output. Si riportano alcuni di questi diagrammi per i casi più significativi di questa architettura. I diagrammi riportati mostrano come l’investimento possa essere virtuoso per un buon numero di combinazioni dei prezzi. Dalle mappe realizzate è possibile trarre alcune interessanti conclusioni:

• fissata la potenza termica disponibile è conveniente spingere sulla produzione di energia elettrica in quanto questa comporta degli introiti maggiori (si ricorda che la produzione di 1000 m3_{/day e la generazione di 1000 kW}

elett richiedono un input di potenza termico

paragonabile). Infatti nella casistica (a), dove vengono imposti gli estremi inferiori del range delle taglie di MED e CRC e si massimizza la produzione di energia elettrica, si hanno investimenti convenienti su tutta l’area economica indagata.

• all’aumentare della taglia del MED si possono avere investimenti non convenienti per al- cune fasce di prezzo dell’energia elettrica e dell’acqua. Ciò è spiegato dal fatto che una

(a)Profitability Index, V=500 m3_{/day, Q} f=500

kWf, Wel= 1680 kWel- Architettura I

(b) Profitability Index, V=1000 m3_{/day, Q} f

=500 kWf, Wel= 1380 kWel- Architettura I

(c)Profitability Index, V=1500 m3_{/day, Q} f=500

kWf, Wel= 1000 kWel- Architettura I

(d)Profitability Index, V=1500 m3_{/day, Q} f=1000

kWf, Wel= 920 kWel- Architettura I

riduzione della taglia dell’ORC comporta un innalzamento dei costi specifici oltre che una ri- duzione dell’introito più redditizio (il mancato esborso dovuto all’auto-produzione di energia elettrica);

• la pendenza delle curve a PI costante è sempre compresa in un range [-45°;0°] ovvero, aven- do posto sull’asse delle ordinate il prezzo dell’energia elettrica, la variazione di questo ha una maggiore influenza sul PI rispetto alle variazioni del prezzo dell’acqua. Questo effet- to permette di fissare prezzi bassi dell’acqua dissalata senza incorrere in sostanziali malus economici.

• in tutte le casistiche mostrate si possono avere moltiplicatori d’investimento (PI) molto alti per determinati prezzi dell’energia elettrica e dell’acqua dissalata, con valori superiori a 2,5 (con tempi di ritorno entro i primi 5 anni di vita utile dell’impianto);

• in alcune casistiche è possibile raggiungere l’obiettivo proposto: ottenere un investimento conveniente realizzando la vendita di acqua dissalata a prezzi competitivi (0,8 m3_/day);

(a)PayBack Time, V=500 m3_{/day, Q}

f=500 kWf,

Wel= 1680 kWel- Architettura I

(b)PayBack Time, V=1000 m3_{/day, Q} f =500

kWf, Wel= 1380 kWel- Architettura I

(c) PayBack Time, V=1500 m3_{/day, Q} f =500

kWf, Wel= 1000 kWel- Architettura I

(d)PayBack Time, V=1500 m3_{/day, Q} f=1000

kWf, Wel= 920 kWel- Architettura I

• confrontando i diagrammi (c) e (d) relativi sia a PI che a PBT si può quantificare l’influenza del sottosistema Chiller sull’investimento economico. Dimezzando la potenza frigorifera in- stallata si ha una riduzione della potenza elettrica assorbita dal compressore del ciclo frigo, ma un aumento dei costi specifici dei componenti del Chiller. Questi due effetti tendono a bilanciarsi in quanto si nota sui diagrammi che la riduzione della taglia del Chiller ha una lieve influenza sull’investimento: il PI massimo si sposta da valori di 2,10 a 2,06 e il tempo di ritorno sale leggermente all’aumentare della taglia del Chiller.

• in generale l’investimento relativo al sistema proposto risulta avere tempi di ritorno accettabili e buoni valori del moltiplicatore per una buona fetta di prezzi dell’energia elettrica. L’analisi termo-economica suggerisce che per vendere l’acqua a prezzi competitivi è necessario optare per maggiori produzioni di energia elettrica, infatti si nota dal diagramma (a) come avendo disponibili 25 MW di potenza termici, installando un MED da 500 m3_{/day e un Chiller da 500}

kWfsi riesce ad avere una produzione di energia elettrica che rende l’investimento conveniente

dell’energia elettrica intorno a 11-15 c$/kWhel;

• l’idea di inserire un processo di dissalazione termica in un sistema di poligenerazione in una logica WHR risulta essere virtuosa, poiché l’analisi di fattibilità economica ha dimostrato che è possibile vendere l’acqua a prezzi competitivi con investimenti competitivi, caratterizzati da buoni moltiplicatori e da tempi di ritorno confortanti.

9.3.2

Simulazione architettura II

L’analisi termo-economica dell’architettura II è stata eseguita seguendo il medesimo processo de- scritto nella sottosezione precedente, prendendo in considerazione i medesimi casi studio e lavoran- do in fase di ottimizzazione con gli stessi vincoli e variando gli stessi parametri. Nelle simulazioni dell’architettura II è stato selezionato come fluido operativo il n-butano (R600) in quanto i valori ottimali di esercizio del ciclo frigo consentono un rapporto di espansione ridotto nell’ugello primario dell’eiettore, comportando una più facile realizzazione del dispositivo. Una delle maggiori differen- ze apprezzabili rispetto alla precedente architettura (oltre alla diversa composizione strutturale), è la presenza dell’eiettore in sostituzione del compressore nel ciclo frigo. Questo fatto comporta un abbattimento dei costi iniziali dell’impianto, in quanto il costo dell’eiettore risulta trascurabile rispetto a quello di un compressore, tuttavia i costi operativi dell’eiettore, ovvero il consumo di vapore, ha un maggiore impatto economico rispetto alla spesa energetica del compressore.

Di seguito si riportano le mappe che descrivono le prestazioni termo-economiche.

Analizzando i risultati si può subito notare come nei casi studiati, l’introduzione di un ERC com- porti un aumento della spesa energetica tale da ridurre la potenza elettrica generabile (considerando i diagrammi (a) di architettura I e II, si passa da una potenza elettrica installabile di 1680 kW ad una di 1340 kW a parità di taglia del MED e di potenza frigorifera installata). Questo fatto incide sensibilmente sui ricavi annuali, poiché si ha un minor risparmio di energia elettrica consumata. In questo modo si nota un trend di diminuzione dei parametri di fattibilità economica: i tempi di ritorno tendono ad alzarsi, i PI tendono a ridursi e in aggiunta si ha un’espansione delle fasce di prezzo in cui l’investimento non risulta conveniente.

In sostanza è possibile trarre le seguenti conclusioni in merito allo studio termo-economico dell’ar- chitettura II:

• in analogia con l’architettura I, al diminuire del volume di produzione di acqua dissalata si hanno investimenti più convenienti, in quanto si recupera più velocemente il capitale investito. Questo lo si può vedere confrontando i grafici (a), (b) e (d) relativi a PI e PBT, dove si nota

(a) Profitability Index, V=500 m3_{/day, Q} f =500

kWf, Wel= 1350 kWel- Architettura II

(b) Profitability Index, V=1000 m3_{/day, Q} f

=500 kWf, Wel= 900 kWel- Architettura II

(c)Profitability Index, V=500 m3_{/day, Q} f =1000

kWf, Wel= 1100 kWel- Architettura II

(d) Profitability Index, V=1500 m3_{/day, Q} f

=1000 kWf, Wel= 270 kWel- Architettura II

come le fasce di prezzo in cui l’investimento non è conveniente si riducono per minori volumi di produzione di acqua dissalata. Oltretutto per taglie di MED superiori a 1000 m3_{/day si}

riescono ad avere i desiderati prezzi di vendita dell’acqua solo per prezzi molto alti dell’energia elettrica (sopra i 0.15-0.18 $/kWhel), senza considerare che il PBT cresce vertiginosamente

spostandosi verso il fine-vita dell’impianto;

• la variazione di taglia dell’ERC incide maggiormente sulla componente economica rispetto a quanto faceva il CRC nella prima architettura. Questo tipo di ciclo frigorifero comporta maggiori consumi di vapore prelevato dall’ORC, così che variando la taglia del sottosistema si notano variazioni maggiori dei parametri economici (proprio come avveniva in sede di analisi termodinamica);

• in buona parte del range di taglie dei sottosistemi su cui si è investigato si nota una certa difficoltà nel rientrare nell’investimento per prezzi bassi dell’energia elettrica, mancando l’o- biettivo di realizzare un buon investimento con prezzi dell’acqua competitivi; l’analisi eseguita indica di proseguire l’indagine analizzando casistiche in cui la potenza refrigerante installata

(a) PayBack Time, V=500 m3_{/day, Q} f =500

kWf, Wel= 1350 kWel- Architettura II

(b) PayBack Time, V=1000 m3_{/day, Q} f =500

kWf, Wel= 900 kWel- Architettura II

(c) PayBack Time, V=500 m3_{/day, Q} f =1000

kWf, Wel= 1100 kWel- Architettura II

(d) PayBack Time, V=1500 m3_{/day, Q} f =1000

kWf, Wel= 270 kWel- Architettura II

sia nettamente inferiore alla potenza elettrica generata. In questo modo la soluzione II po- trebbe rivelarsi competitiva con la soluzione I, anche tenendo conto che i costi unitari del ciclo frigo a compressione di vapore tenderebbero a crescere, mentre quelli dell’ERC lo farebbero in un modo più contenuto per il fatto che il costo dell’eiettore è generalmente trascurabile.

Nella totalità dei casi studio analizzati l’architettura II risulta essere meno competitiva dell’archi- tettura I, confermando in parte quando già visto nella precedente analisi termodinamica. Nella sottosezione precedente si descriverà l’analisi termo-economica eseguita sull’ultima architettura ri- manente. Successivamente verrà operato un ultimo confronto fra le tre architetture cercando di riportare la grossa mole di dati in una forma più compatta sfruttando l’analisi adimensionale.

9.3.3

Simulazione architettura III

Nell’ultima architettura si propone di realizzare il sistema poligenerativo attraverso l’integrazione di un ciclo ORC, una macchina ad assorbimento e un dispositivo di dissalazione termico a evapora- zione multipla (MED). Il metodo di analisi eseguito è conforme a quello adottato nelle precedenti

architetture. Lo stesso può essere detto per l’implementazione della componente economica su HY- SYS al fine di valutare la fattibilità dell’investimento. Ancora una volta si simulano 54 casi studio con diverse combinazioni di prezzi fissati per acqua ed energia elettrica e taglie dei sottosistemi. I parametri operativi sono gli stessi delle strutture precedenti. In aggiunta è necessario fissare un ulteriore constraint functions che tenga conto del vincolo sulla minima temperatura di ingresso dell’olio diatermico nel generatore del ciclo ad assorbimento. Il fluido organico selezionato è il n-pentano (R601) per le maggiori performance energetiche ottenute nell’analisi termodinamica. Analogamente a quanto fatto in precedenza, si riportano i diagrammi contenenti i risultati più significativi dell’analisi di fattibilità economica.

(a) Profitability Index, V=500 m3_{/day, Q} f =500

kWf, Wel= 1690 kWel- Architettura III

(b)Profitability Index, V=1000 m3_{/day, Q} f =500

kWf, Wel= 1410 kWel- Architettura III

(c) Profitability Index, V=500 m3/day, Qf

=1000 kWf, Wel= 1620 kWel- Architettura III

(d)Profitability Index, V=1500 m3/day, Qf=1000

kWf, Wel= 980 kWel- Architettura III

Da una prima osservazione dei risultati si può apprezzare un comportamento in linea con quello registrato nelle architetture precedenti. Con questa configurazione di sistema si riescono a ottenere gli investimenti più convenienti realizzando moltiplicatori (PI) superiori a 3,2 per prezzi dell’ener- gia elettrica tra 0,14 - 0,15 $/kWhelett e prezzi di vendita dell’acqua dissalata molto competitivi

(a) PayBack Time, V=500 m3_{/day, Q} f =500

kWf, Wel= 1690 kWel- Architettura III

(b)PayBack Time, V=1000 m3_{/day, Q} f=500

kWf, Wel= 1410 kWel- Architettura III

(c) PayBack Time, V=500 m3_{/day, Q} f =1000

kWf, Wel= 1620 kWel- Architettura III

(d) PayBack Time, V=1500 m3_{/day, Q} f =1000

kWf, Wel= 980 kWel- Architettura III

vita utile dell’impianto.

L’effetto della taglia del MED è il medesimo apprezzato nelle precedenti architetture: all’aumen- tare della grandezza del MED (a parità di potenza termica disponibile) si ha una generale calo della convenienza dell’investimento, con i valori massimi dei moltiplicatori che scendono a 2,3-2,4 per alti prezzi dell’energia elettrica e alti prezzi di vendita dell’acqua desalinizzata.

L’effetto della taglia del ciclo ad assorbimento risulta contrario agli effetti registrati per le prece- denti architetture, infatti si può notare come la diminuzione della taglia del Chiller non comporti delle migliorie nell’investimento (si ricorda che nella prima architettura si registrava un lieve mi- glioramento e nella seconda si apprezzava una netta crescita), ma si ottengono delle lievi migliorie nei parametri economici (crescita PI, diminuzione PBT). La spiegazione di questo fenomeno può essere legata al fatto che, essendo il PI dell’investimento funzione di costi di iniziali, costi di eser- cizio e ricavi legati alla produzione integrata dei tre effetti, la diminuzione della taglia del Chiller provoca:

• minor mancato esborso dell’energia elettrica consumata per la refrigerazione;

nelle prime due architetture il Chiller riceveva energia direttamente dall’ORC (in forma di energia elettrica o di vapore surriscaldato a seconda dell’architettura), mentre in questa III architettura il Chiller è alimentato direttamente dal flusso termico ceduto dal fluido termovettore. Il fatto di dover essere alimentato ad una temperatura superiore ai 100 °C (con differenze di temperatura dell’HTF tra inlet e outlet non superiori a 7°C) inserisce un vincolo termodinamico nel sistema. Questa combinazione di effetti non permette di avere investimenti migliori al diminuire della taglia del Chiller, il vincolo inserito dal ciclo ad assorbimento impedisce una netta crescita della potenza elettrica dell’ORC perché la portata di fluido termovettore disponibile è fissa (si noti che essendo 0,78 il COP della macchina ad assorbimento, la potenza termica richiesta per 500 kWfè pari a 650

kWth) e il ∆T reso disponibile al boiler dell’ORC varia di pochi gradi.

L’introduzione di un ciclo ad assorbimento nel sistema permette di ottenere un migliore sfrutta- mento della risorsa, il quale viene anche tradotto in migliori risultati economici. Questo vantaggio tende a ridursi al diminuire della taglia del Chiller a causa del vincolo presente nella disposizio- ne seriale, suggerendo di adottare una disposizione in parallelo per sistemi in cui è richiesta una ridotta potenza frigorifera.