Sistemi di micro-generazione

Si osserva che, in tutti gli scenari considerati, la potenza richiesta dai processi si mantiene sempre al di sotto dei 400 kW, taglia che rientra a pieno titolo nel campo della micro- generazione. Lo sforzo tecnologico all’interno di questo settore è mirato soprattutto all’incremento dell’efficienza dei sistemi di produzione di piccola taglia, costituiti da unità motrici di dimensione ridotta e scarsi rendimenti termodinamici.

Le tecnologie più affidabili e diffuse sul mercato adatte all’applicazione ai processi di liquefazione di gas naturale considerati in questo studio sono le microturbine e i motori a combustione interna alimentati a gas.

Le microturbine (MT) [38] costituiscono sistemi di taglia compresa tra le decine e le centinaia di kW. Esse costituiscono sistemi analoghi ai gruppi turbogas, basati sul ciclo termodinamico Brayton-Joule, largamente utilizzati nella propulsione aeronautica per la loro compattezza, ma anche per applicazioni stazionarie, in quanto alla base di sistemi cogenerativi e di impianti a ciclo combinato. Tuttavia, per la loro taglia ridotta, le microturbine necessitano di accorgimenti tecnici particolari e differenti dagli impianti di grande taglia.

A differenza dei gruppi turbogas, infatti, vengono impiegati compressori e, in alcuni casi anche turbine, di tipo radiale, le quali elaborano portate d’aria più piccole con efficienze maggiori rispetto alle macchine assiali, più adatte a lavorare con le elevate portate d’aria tipiche dei grandi impianti.

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Dal punto di vista termodinamico, il ciclo di riferimento è quasi sempre un Brayton-Joule con rigenerazione (vedi figura 5.1), ovvero con recupero di calore dai fumi in uscita dalla turbina per il preriscaldamento dell’aria prima dell’ingresso in camera di combustione, tramite uno scambiatore aria-fumi. Così facendo, a parità di combustibile impiegato, si fornisce maggiore energia al ciclo allo scopo di aumentare il lavoro meccanico prodotto. La rigenerazione termica permette alle microturbine di raggiungere rendimenti accettabili, intorno al 30%, altrimenti non ottenibili su unità di piccole dimensioni, senza penalizzare eccessivamente la possibilità di fare cogenerazione. Infatti, la temperatura dei fumi in uscita dallo scambiatore rigenerativo rimane abbastanza alta (circa 300°C) da permettere l’alimentazione di una caldaia a recupero.

FIGURA 5.1:CICLO BRAYTON-JOULE IDEALE CON RIGENERAZIONE INTERNA [37]

Le microturbine sono adatte alla generazione distribuita sul territorio ed entrano direttamente in competizione con i motori a combustione interna. Tra i vantaggi attribuibili alle microturbine a gas, rispetto ai sistemi concorrenti, vi sono le minori vibrazioni, il minor rumore e la mancata esigenza di predisporre un sistema ausiliario per lo smaltimento di calore, nel caso in cui non vi sia, o vi sia solo in parte, l’assorbimento del carico termico da parte dell’utenza; tra gli svantaggi, invece, vi sono i maggiori costi d’acquisto e manutenzione.

I motori a combustione interna (MCI) [39-40] coprono un range di potenze molto ampio che va da poche decine di kW a qualche MW di potenza elettrica, grazie alla loro intrinseca modularità. Se nelle applicazioni mobili l’alta densità energetica ha portato all’utilizzo quasi esclusivo di combustibili liquidi, l’impiego di gas naturale è stato fondamentale per la diffusione dei MCI per le applicazioni stazionarie, permettendo di ridurre notevolmente le emissioni inquinanti, di accedere a condizioni di fornitura più vantaggiose e ridurre i costi di manutenzione.

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Per quanto riguarda i MCI alimentati a gas esistono sul mercato due categorie: i motori ad accensione comandata e i motori ad accensione spontanea dual fuel. Tuttavia, per il suo buon potere antidetonante, il gas naturale risulta più idoneo come combustibile per motore ad accensione comandata, il cui rendimento varia dal 27% delle piccole unità, al 38% nelle unità con potenza di circa 500 kWe, fino al 45% per i grandi motori da oltre 1 MWe. In assetto cogenerativo, i MCI forniscono energia termica a due livelli di temperatura. Infatti, i fumi rilasciati hanno temperatura di circa 450°C, mentre si può recuperare calore a temperature comprese tra 80°C e 100°C dal fluido di raffreddamento del motore, dal fluido lubrificante e dall’intercooler, nel caso di motore sovralimentato.

I principali vantaggi dei MCI a gas rispetto alle microturbine sono il minor costo di acquisto, il maggiore rendimento, l’ampio range di taglie in commercio, la disponibilità di calore a più livelli di temperatura; tra gli svantaggi, invece, vi sono maggiori rumori e vibrazioni e la temperatura medio-bassa in cui è messa a disposizione una parte del calore.

Nel proseguo di questo capitolo, si prenderà in considerazione l’impiego di una microturbina per l’autoproduzione dell’energia elettrica necessaria all’alimentazione del processo di liquefazione, con recupero termico dai gas combusti per l’alimentazione del chiller ad assorbimento.

Si è scelto di prendere in considerazione lo schema con chiller a monte di coldbox e compressori (CA-CB&C), che risulta il più performante, per valutare l’effetto del recupero termico dai fumi sul consumo specifico in tre scenari significativi: lo scenario più sfavorevole (scenario 1, 1,5 bar – 1,5 bar), lo scenario intermedio (scenario 5, 15 bar – 4 bar) e lo scenario più favorevole (scenario 9, 40 bar – 6 bar). I dati riguardanti il processo CA-CB&C nei tre scenari sono riportati in tabella 5.1.

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Processo con chiller pre-coldbox&compressori

Scenario: 1 5 9

Potenza compressore [kW] 145,2 89,8 57,0 Compressore C-1 Rapporto compressione [pout/pin] 3,9 2,1 1,8

Differenza di temperatura [°C] 133 80 54 Potenza compressore [kW] 133,0 78,4 181,0 Compressore C-2 Rapporto compressione [pout/pin] 3,6 2,2 6,7

Differenza di temperatura [°C] 124 73 189 Potenza compressore [kW] 120,4 112,3 - Compressore C-3 Rapporto compressione [pout/pin] 3,3 3,8 - Differenza di temperatura [°C] 118 128 - Potenza espansore [kW] 69,0 58,5 54,2 Espansore T-1 Rapporto espansione [pin/pout] 43 17 12

Differenza di temperatura [°C] 142 120

Air-cooler AC-1 Calore asportato [kW] 59,7 54,4 35,9 Air-cooler AC-2 Calore asportato [kW] 50,9 58,0 47,1 Air-cooler AC-3 Calore asportato [kW] 53,8 40,8 - Chiller ad

assorbimento

Calore recuperato E-1 [kW] 52,7 30,1 112,4 Calore recuperato E-2 [kW] 54,2 24,9 - Calore recuperato E-3 [kW] 51,8 42,4 - Effetto refrigerante [kW] 111,2 68,1 78,7 Portata fluente [kg/h] 1657 1775 1856 Pressione massima [bar] 66,5 68,8 70,0 Potenza ventilazione [kW] 2,5 2,3 1,2 Potenza elettrica richiesta [kW] 332,1 224,3 185,0

C.S. [kWh/kg] 0,80 0,54 0,44

TABELLA 5.1:DATI DEL PROCESSO CON CHILLER PRE-COLDBOX&COMPRESSORI NEGLI SCENARI 1,5 E 9