Stima delle spese future

Per effettuare una stima di come varierebbero i costi di produzione con l’installazione del nuovo motore, è stato necessario procedere con uno studio dettagliato dei carichi termici ed elettrici a cui è stata sottoposta la centrale negli ultimi anni, e di quelli a cui ci si aspetta dovrà essere sottoposta nel dominio di tempo in cui si svolgerà l’analisi economica. Per prima cosa si sono perciò raccolti i dati di produzione e consumo della centrale negli ultimi cinque anni. Si è notato che gli scostamenti della domanda energetica sono piuttosto contenuti di anno in anno. Tali scostamenti sono dettati principalmente da differenti

domande di energia termica che variano a seconda delle condizioni climatiche, le quali hanno naturali oscillazioni di anno in anno. Per stimare in futuro la domanda termica ci si baserà perciò su quanto rilevato negli ultimi anni di funzionamento.

Si ricorda che l’ impianto opera con una logica del tipo termico segue, perciò è la domanda termica a guidare la regolazione della centrale, mentre l’energia elettrica viene in parte dispacciata verso l’aeroporto e le eccedenze sono esportate verso la rete elettrica nazionale e vendute al corrente prezzo di borsa. Si sottolinea che solitamente il carico elettrico dell’aeroporto è limitato e decisamente inferiore alla produzione elettrica dei motori cogenerativi regolati per seguire il carico termico. Ne risulta quindi che le eccedenze di energia elettrica esportate verso la rete sono quasi sempre più alte, tanto più durante i mesi invernali e in minor misura quelli primaverili ed autunnali.

Questo significa che la stima della produzione della centrale con la nuova unità verrà fatta basandosi sulla domanda termica e non su quella elettrica dell’aeroporto ne tanto meno quella elettrica esportata. Infatti, quest’ultima può subire apprezzabili variazioni anche di anno in anno a seconda dell’andamento del prezzo unico nazionale (PUN), ovvero il prezzo di borsa a cui viene venduta l’energia esportata verso la rete elettrica nazionale. Non è scopo di questo elaborato compiere stime sui possibili scenari climatici che si potrebbe verificare in futuro, legati ai cambiamenti climatici, in quanti si tratta di previsioni assai complicate e le quali non avrebbero comunque un peso significativo sul risultato dell’analisi economica in questione.

Viene riportato in Tabella 4.3 l’andamento medio degli ultimi cinque anni, mese per mese, dei consumi e della produzione della centrale.

87

Tabella 4.3 Consumi e produzioni annue

È possibile notare come con l’interruzione del servizio di teleriscaldamento (15 aprile- 15 ottobre) il consumo e perciò l’utilizzo delle caldaie ausiliare sia nullo.

Ai fini di determinare i futuri consumi e produzioni della centrale, per effettuare un calcolo quanto più dettagliato possibile, si sono raccolti i dati di produzione e consumo dei singoli giorni suddivisi ora per ora dell’ultimo anno trascorso. In questo modo è stato possibile stimare più realisticamente le reali condizioni di funzionamento in cui si dovrebbe trovare la centrale operante con il nuovo motore.

Si sono perciò selezionate delle “giornate tipo” che vadano a comporre una settimana indicativa per ogni mese dell’anno. Tali giornate sono state selezionate in modo da rispettare i carichi termici mensili riscontrati negli ultimi anni. Quindi, una volta determinati i profili orari di produzione dei singoli giorni essi sono stati proiettati per i restanti giorni del mese preso in considerazione.

È stato necessario svolgere una analisi oraria in modo da poter tener conto della variazione PUN (il quale ha oscillazioni orario) e da tenere conto nel modo più accurato possibile il funzionamento ai carichi parziali delle varie unità. Questa permetterà quindi di calcolare accuratamente i consumi orari e le relative produzioni di anidride carbonica, in quanto le efficienze delle macchine subiscono variazione assolutamente non trascurabili ai carichi parziali.

Nelle giornate tipo analizzate venivano riportati i seguenti parametri operativi orari, rilevati con l’attuale assetto della centrale:

ü energia termica ceduta dalla centrale [MWh,t]

ü prezzo zonale MGP (Mercato del Giorno Prima) [€/MWh,el] ü emissioni di anidride carbonica [t]

ü energia elettrica destinata all’ aeroporto [MWh,el]

Tali parametri sono necessari per stimare la produzione con la nuova unità e confrontarne i consumi di gas naturale, produzione di anidride carbonica e differente corrente elettrica esportata verso la rete.

Pesando questi tre fattori con il prezzo del gas naturale, il valore delle quote EUA ed il prezzo zonale si otterrà perciò un risparmio economico orario, grazie alla maggiore efficienza della nuova unità cogenerativa dotata di post-combustore.

In aggiunta alle curve presentate nel capitolo precedente riguardo alle prestazioni del motore ai carichi parziali elettrici, sono state ricavate per i due motori anche quelle relative alle efficienze elettriche e termiche al variare del carico termico a cui è sottoposto il

motore.

Si riportano nella seguente figura per la nuova unità, le curve di rendimento termico ed elettrico in funzione del carico termico del motore.

Figura 4.2 Rendimento elettrico e termico in funzione del carico termico per il nuovo motore

Le curve arrivano sino ad un minimo del 58,66% del carico termico a cui corrisponde il 50% del carico elettrico, in quanto come spiegato nel precedente capitolo l’efficienza termica del motore aumenta ai carichi parziali.

Curve analoghe sono state ricavate per i motori Wartzila attualmente operanti presso la centrale di Linate.

89

Figura 4.3 Rendimento elettrico e termico in funzione del carico termico per il vecchio motore

Queste curve sono state utilizzate per determinare quindi l’output elettrico e il consumo di gas naturale per un determinato carico termico.

Per quanto riguarda il post-combustore, alla luce dei risultati presentati nello scorso

capitolo si è notato che l’intero apporto termico entrante in questo componente sotto-forma di gas naturale bruciato, viene trasferito al flusso di gas combusti in termini di salto

entalpico.

Si evince perciò che l’efficienza termica di questo componente è pressoché unitaria e così è stata assunto nello sviluppo del modello di stima di produzione e consumi della centrale di Linate nel suo nuovo assetto.

A seguito di una approfondita analisi del profilo termico giornaliero, si sono suddivisi creati tre modelli di stima delle produzioni orarie delle unità produttive, rappresentativi delle condizioni di funzionamento invernali, di metà stagione ed estive.

Per ognuno dei modelli si è innanzitutto operata una prima macro distinzione per la determinare il carico orario a cui le diverse unità dovranno essere sottoposto, ovvero per condizioni di prezzo unico nazionale al di sopra e al di sotto di 55 €/MWh,el. Tale valore soglia viene prese in considerazione anche attualmente presso la centrale di Linate in fase di redazione del piano di produzione giornaliero. Tale prezzo rappresenta un valore limite sotto il quale, con gli attuali motori Wartzila, non è più conveniente esportare corrente verso la rete nazionale in quanto i costi di produzione associati a tale MWh,el superano il suo prezzo di vendita. Come si è visto tale valore soglia scontato del costo evitato di produzione da caldaia ausiliaria, per l’attuale unità cogenerativa si attesta a 53,43

€/MWh,el al 100% di carico ed aumenta lievemente per carichi parziali.

Questa prima distinzione determina le logiche di funzionamento della centrale attuale e futura, infatti per valori inferiori alla soglia di 55 €/MWh,el si manterrà in funzione il solo nuovo motore e le caldaie ausiliarie per soddisfare la rimanente richiesta termica. Al di sopra di tale prezzo soglia invece si prediligerà l’utilizzo dei motori, mantenendo un assetto puramente cogenerativo.

All’interno di queste prime due possibilità di funzionamento si è poi suddivisa la domanda oraria termica in fasce di energia.

In particolare, nel caso di PUN sufficientemente elevato si è data inizialmente precedenza al funzionamento della nuova unità fino a 9,934 MWth (potenza termica nominale), poi a quella dei due motori Watzila rimanenti, in seguito al post-firing e alle caldaie ausiliare per carichi termici più elevati. Nella ripartizione della produzione termica si è cercato di mantenere i carichi di funzionamento il più alti possibile e di evitare carichi al di sotto del 50% per non intercorrere in eccessive penalizzazioni di rendimento e condizioni di funzionamento che potessero danneggiare i macchinari

In contrasto a questo scenario, per valori di PUN inferiori al prezzo soglia si è ripartita la produzione termica esclusivamente sul nuovo motore con l’eventuale attivazione del post- combustore e quindi delle caldaie ausiliarie per domande termiche crescenti.

Perciò una volta fissato l’output termico per le singole unità, nota la potenza termica di targa è stato possibile ricavarne il carico termico in termini percentuali. Tramite l’utilizzo delle curve di interpolazione mostrate nelle precedenti figure si è proceduti nel determinare il consumo di gas naturale associato e la produzione di energia elettrica per i diversi carichi termici a cui sono sottoposte le unità, in questo modo:

𝐶𝑇 = ?HI ?HI,D•ËCDš;: (4.7) 𝐶ks =_/ ?HI HI @M ∗?@AgD [ þ<À F ] (4.8) 𝑃₇₈ = 𝑃_EF∗/:;@M /HI(@M) [MW] (4.9) Dove: CT: carico termico, 𝐶ks: consumo di gas naturale.

Il potere calorifico inferiore del gas naturale è stato assunto pari a 9,77 MWh/Sm3_{, ovvero}

il valore medio registrato del gas consumato nell’ultimo anno.

Noto il carico termico si è poi sostituito il suo valore nelle equazioni delle curve precedentemente mostrare, al fine di determinarne la corrispettiva efficienza elettrica e termica.

In modo del tutto analogo si è proceduto per il calcolo dei consumi di combustibile per le caldaie ausiliarie, utilizzando la curva mostrata nel precedente capitolo.

In questo modo è stato possibile determinare il consumo giornaliero di gas naturale e confrontarlo con quello che si avrebbe con l’attuale assetto della centrale, le minori emissioni di anidride carbonica (calcolate con il metodo del fattore di emissione mostrato nel precedente capitolo).

Per quanto riguarda la corrente elettrica esportata verso la rete si è tenuto conto che il 6,4 % della potenza elettrica lorda prodotta dai motori è utilizzato per sistemi ausiliari della centrale, perdite elettriche, autoconsumi e assorbimento di energia dall’edificio direzionale della centrale. Tali assorbimenti degli ausiliari comprendono i sistemi di ventilazione dei motori e pompaggio alla mandata della rete di teleriscaldamento. Questo valore

91 Infine viene poi sottratta la quota di energia da destinarsi per utilizzi aeroportuale per determinare infine la quantità di energia elettrica esportata ogni ora nei giorni analizzati. Ciò che si è riscontrato è che mediamente la quantità di energia elettrica prodotta

dall’impianto, quindi anche quella esportata versi la rete elettrica, risulta essere inferiore a seguito dell’installazione del nuovo motore con post-combustore.

Questo è spiegabile dal fatto che la massima potenza termica erogabile dalla nuova unità risulta essere quasi il doppio di quella dei motori preesistenti, quindi risulta spesso

sufficiente l’accensione di questo singolo motore al posto di due motori Wartzila. Perciò ne consegue una minore produzione elettrica associata ad una pari produzione termica. Grazie ad un rapporto potenza termica su potenza elettrica più elevato per la nuova unità è

inevitabile una minore produzione elettrica correlata ad una eguale produzione termica. Bisogna inoltre considerare l’apporto termico del post-combustore che anch’esso risulta in alcuni casi sostituirsi all’azionamento dei nuovi motori.

Il risultato di tale profilo di produzione determina sì un minor ricavo derivante dalla

produzione di energia elettrica associata alla cogenerazione, ma comporta un ben maggiore risparmio economico in termini di consumi di gas naturale e produzione di anidride

carbonica.

Nella determinazione dei carichi produttivi associati alle singole unità si è tenuto conto di un fermo di 700 ore annue per il nuovo motore, necessario per interventi manutentivi e di revisione.

Per quanto riguarda le simulazioni in condizioni di funzionamento primaverile la logica del modello di stima di produzione è la medesima, ciò che cambia è la suddivisione delle fasce di domanda termica. Infatti, mentre in inverno si possono raggiungere picchi di 50 MW,th in questo scenario è assai improbabile raggiungere i 40 MWth. Risulta perciò praticamente assente l’utilizzo della caldaia ausiliaria per PUN>55 €/MWh,el.

In estate la domanda termica risulta essere molto più piccola, e si aggira tra i 2 e i 6 MWth. In questo scenario è sufficiente un solo motore per soddisfare tale fabbisogno. Come si è visto nel precedente capitolo risulta inevitabile l’utilizzo dell’elettro-dissipatore in quanto è stato ritenuto altamente sconsigliabile dal costruttore operare il motore a carichi troppo parzializzati (minori del 50% del carico elettrico). Il consumo elettrico di tale componente è stato quantificato pari all’ 1% della potenza termica dissipata.

Si riporta in seguito una rappresentazione del modello per una giornata tipicamente invernale:

93

Nella tabella sono riportate abbreviazioni e indici la cui nomenclatura è la seguente:

Tabella 4.4 Nomenclatura figure 4.4 e 4.5

Come detto in precedenza la domanda termica oraria è stata catalogata in differenti fasce alle quali corrispondono i differenti apostrofi al fianco del nome delle unità.

La suddivisione in diverse fasce di domanda termica è stata fatta tenendo conto delle potenze termiche nominali delle differenti unità e garantendo sempre un funzionamento con un carico almeno pari al 50%. Si è sempre data la precedenza di utilizzo alla nuova unità cogenerativa, dato il suo ancora basso numero di ore di funzionamento all’attivo e alle sue elevate efficienze. Per ogni fascia in cui si è suddivisa la richiesta termica se ha una differente distribuzione della produzione termica sulle differenti unità produttive e grazie a quanto spiegato prima si è poi calcolato il relativo consumo di combustibile. Si riporta nelle seguenti figure l’andamento orario di una tipica giornata invernale della domanda termica, elettrica e relativi consumi e produzioni di anidride carbonica per quanto registrato con la centrale attuale e la stima di questi vettori energetici, ricavati dal modello precedentemente mostrato. 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 Eth ceduta [MWh] Consumo,tot,gn[kSm3] elettrico

borsa [MWh] elettricoSEA [MWh] CO2 [t/h]

95

Figura 4.7 Produzioni e consumi previsti per la nuova centrale

Si può notare come le curve relative alla domanda termica richiesta alla centrale e l’energia elettrica ceduta all’aeroporto siano coerentemente le stesse.

Grazie al nuovo motore la potenza massima elettrica erogabile è maggiore ed infatti si notano picchi superiori ai 21 MWel, cosa non possibile prima.

Con il nuovo impianto è possibile seguire in modo migliore l’andamento del PUN. Infatti, grazie alla maggiore potenza termica esprimibile dalla nuova unità congiuntamente con l’utilizzo del post-combustore è possibile mantenere spenti uno o entrambi i motori e soddisfare comunque la richiesta termica, grazie anche all’eventuale utilizzo della caldaia ausiliaria. Mentre nell’attuale assetto della centrale si è spesso “costretti” a mantenere in funzione i motori per sopperire alla richiesta termica, anche quando il PUN si trova su valori non elevati.

L’andamento giornaliero della domanda termica presenta un picco nelle primissime ore mattutine, nelle primissime ora mattutine durante le quali si verificano le accensioni degli impianti di riscaldamento delle diverse utenze della rete di teleriscaldamento.

Ai fini di svolgere in seguito un’analisi economica più conservativa, si è deciso di

analizzare uno scenario più pessimistico. In questo scenario si sono assunti dei consumi di gas naturale più alti del 2% a parità di produzione di energia termica. A questo corrisponde un peggioramento del 2% assoluto sia di efficienza elettrica che termica. In termini di

0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 1 2 3 4 5 Eth ceduta [MWh] Consumo,tot,gn[kSm3] elettrico

borsa [MWh] elettricoSEA [MWh] CO2 [t/h]

rendimenti relativi, essendo entrambi inferiori al 50% e maggiori al 40% per ogni

condizione di carico, la diminuzione relativa di rendimento è di circa un punto percentuale. Tale scenario è stato condotto in modo da dimostrare la solidità dell’investimento anche nel caso di prestazioni inferiori rispetto a quelle attese.

Risulta infatti comune che si possano registrare dei rendimenti più scarsi rispetto a quelli dichiarati dalle aziende costruttrici, come successe per i motori Wartzsila installati ed attualmente funzionanti presso la centrale di Linate.

I risultati relativi a tale scenario verranno indicati in seguito con la denominazione di “scenario 2” (s2) in contrasto con lo scenario 1 (s1) senza penalizzazione di rendimento. Si mostrano nella Tabella 4.4 seguente i risultati ottenuti mese per mese con i rendimenti coerenti con quanto dichiarato dal costruttore:

ENERGIA TERMICA [MWh] RISPARMIO GAS [m3] RISPARMIO CO2 [t] RETE PUN ATTUALE [€] PRODUZIONE ELETTRICA [MWh] Gennaio 24748 685792 1345 -46361 14211 Febbraio 21836 377795 741 39291 12919 Marzo 13072 1008116 1977 -210313 9597 Aprile 7416 744228 1459 -158054 7208 Maggio 4917 159972 314 9252 5190 Giugno 2810 157397 309 -23993 3662 Luglio 2826 109403 212 -13669 3861 Agosto 2803 109403 210 -13869 3763 Settembre 2626 109403 215 -13469 3162 Ottobre 7119 744228 1417 -153059 7208 Novembre 13677 1008116 2005 -210613 9597 Dicembre 23146 208027 408 114559 17490 Totale 126997 5421879 10610 -680298 97869

Nella tabella sovrastante sono state riportate le seguenti grandezze: - risparmio di Sm3 di gas (valutato con un PCIgas= 9,77 MWh/ Sm3)

- emissioni di anidride carbonica evitare [t]

- ricavi/perdite derivanti dalla vendita alla borsa elettrica

- produzione del nuovo motore (parametri necessari per lo svolgimento della prossima sezione del capitolo)

97