Unità di trasformazione con 3 output

Nella gran parte delle situazioni i sistemi CHP (combined heat and power) presentano un singolo ingresso F o Q, in riferimento a tutti i tipi di impianti citati sopra. Negli impianti di potenza si ha, tuttavia, la possibilità di alimentare le unità con molteplici ingressi. Si pensi ad esempio agli impianti che sfruttano più combustibili differenti, sistemi bifuel o con sistemi che sfruttano in modo combinato combustibile e calore o una risorsa rinnovabile. Nell’unità adibite alla produzione di flussi F e di flussi W , in molte situazioni, si rendono disponibili altri flussi di scarto. Questi flussi sono rappresentati da flussi Q e flussi E. Ad esempio si consideri un impianto per la produzione del bioetanolo. Sul lato sorgenti si ha lo scambio di tre flussi: il combustibile primario (barbabietola o sorgo zuccherino), l’energia elettrica necessaria nei processi di estrazione e distillazione e il calore necessario al processo di fermentazione. Tale unità oltre a rendere disponibile il flusso F di bioetanolo produce un flusso E derivato dalla combustione delle bagasse (sottoprodotto del processo di estrazione del succo). Il flusso E richiesto dall’utenza rappresenta totalmente o in parte l’energia richiesta dall’unità per il suo funzionamento. I casi riguardanti le restanti combi-nazione sono del tutto analoghe a quanto visto fin ora.

Nelle unità di produzione di doppi flussi sono comprese anche quelle che producono due flussi della stessa tipologia. Un possibile caso è ad esempio un’utenza che richieda due flussi

Qa temperatura differenti. Per soddisfare tale richiesta una soluzione è quella di produrre

un singolo flusso Q a temperatura maggiore è poi disperdere il calore in eccesso mediante uno scambio con l’ambiente; questo comporta però una perdita exergetica. Un’altra possi-bilità, più conveniente dal punto di vista energetico, è quella di produrre contestualmente i due flussi di calore a temperatura differente, ad esempio sfruttando degli spillamenti da un ciclo a vapore a due livelli di pressione diversi.

1.4.3 Unità di trasformazione con 3 output

In questa sezione si prendono in considerazione le unità di trasformazione che generano tre diverse tipologie di flussi in uscita. Come per le categorie precedenti i possibili flussi in usci-ta, e di conseguenza i possibili collegamenti, sono le tipologie di flussi richiesti dall’utenza.

Risulteranno dunque 34 possibili combinazione. Epurando tale numero dalle combinazioni

doppie si ricavano 4 possibili combinazioni : E −Q−F/E −Q−W/E −F −W/Q−F −W. Le combinazioni elencate solo in alcuni rari casi verranno rappresentate da singoli impianti di trasformazione. Per valutare unità di trasformazione multi-prodotto solitamente si as-sume un grado di dettaglio inferiore rispetto ai casi visiti in precedenza. Ci si concentrerà su sistemi più grandi e complessi formati da un insieme di impianti di dimensioni minori. Ciò è possibile in quanto, come visto in precedenza, le dimensioni (i confini) dell’unità di trasformazione vengono assunti in relazione al grado di dettaglio scelto. Gli esempi se-guenti rappresentano quasi sempre unità di trasformazione complesse, formati dall’insieme delle unità di trasformazione viste nei paragrafi precedenti.

1.4 Unità di trasformazione di un sistema di conversione 21 che producono flussi della stessa categoria. Se tuttavia si volesse considerare anche le pos-sibili combinazioni di questi flussi si dovrebbe valutare un numero elevato di combinazioni. Una volta osservato il collegamento tra una categoria di flusso e l’utenza, i casi in cui flussi della stessa categoria, ma con caratteristiche differenti, sono collegati all’utenza saranno compresi in esso.

Una delle combinazioni più frequenti è quella rappresentata dalla produzione di un combu-stibile, energia elettrica e calore. Molto impianti per la produzione di combustibili, infatti, rendono disponibili come sotto prodotti del calore e dei combustibili di scarto che possono essere utilizzati a loro volta per la produzione di energia elettrica. In molti casi i flussi richiesti dall’utenza sono i flussi necessari anche al funzionamento dell’impianto. Vi è una sorta di collegamento tra utenza e sorgenti, giacché l’energia richiesta dall’utenza coincide con parte dell’energia che l’ambiente deve fornire al sistema per il suo funzionamento. Un esempio potrebbe essere la filiera del biodiesel 1.6.

Unità di trasformazione a tre uscite colza,gira sole,soia, ecc Estrazion e olio grezzo Transeste rificazione MCI cogenerativo F Qt E solventi metanolo scarti E olio grezzo FILIERA DEL BIODIESEL

Figura 1.6: Schema di un impianto per la produzione del biodiesel

In ingresso l’unità presenta un flusso di energia F (a cui è associata una portata di massa di colza, girasole, soia, a seconda della coltivazione di riferimento) e un flusso di energia elettrica. Il flusso di F subisce un primo trattamento in cui si ha l’estrazione del-l’olio. L’estrazione avviene in due fasi consecutive: la prima in cui si ha una spremitura meccanica (utilizzo di flussi E) e la seconda in cui si utilizza l’esano per estrarre l’olio grezzo rimasto (flussi F ). L’olio grezzo viene in parte indirizzato ad un motore a com-bustione interna cogenerativo, che sfrutta un ciclo diesel, e in parte inviato al processo di transesterificazione. Il motore diesel produce l’energia elettrica necessaria all’unità e il calore adibito all’utenza termica. Nel processo di transesterificazione viene sfruttato un flusso E ed un flusso F (mentanolo) per la trasformazione dell’olio grezzo in biodiesel Dalla figura si riesce a comprendere meglio come il grado di dettaglio influisca sulla scelta dei confini delle unità di trasformazione. L’unità a tre uscite può essere vista come un sistema

composto di tre unità di trasformazione distinte ma collegate tra di loro: un’unità Pf 1(che

identifica il processo di conversione della colza in olio grezzo), un’unità Pf 2(che identifica

22Identificazione di tutte le traiettorie di conversione di fonti energetiche in prodotti utili. grezzo in calore ed elettricità).

Le altre possibili combinazioni sono meno diffuse in ambito energetico, ma sono maggior-mente presenti nel campo industriale. Le industrie rappresentano delle ottime unità di trasformazione in cui oltre al flusso principale (lo scopo per cui l’industria è in funzione) si hanno diversi flussi che vengono trasformarti e resi disponibili per eventuali utenze. Tali casi vengono tralasciati dall’analisi poiché lontani dei fini prettamente energetici.

Molto più interessanti in campo energetico sono invece i casi in cui siano richiesti tre flussi, di cui due della stessa tipologia ma con caratteristiche differenti. Un caso tipico è presentato dalla trigenerazione in cui sono presenti: un’utenza elettrica, un’utenza termica e un’utenza frigorifera (E − Qt − Qc).

Nello schema 1.7 si può vedere come tale unità presenti in ingresso un singolo flusso F

Unità di trasformazione a tre uscite CHP Gruppo ad assorbimento E Qt Qc F scarti

Figura 1.7: Schema di impianto di trigenerazione

che alimenta l’unità cogenerativa. In essa avviene la conversione in flussi di energia elet-trica e termica, caso visto nel paragrafo precedente. Il flusso E è collegato direttamente all’utenza, il flusso Qt in parte è collegato all’utenza e in parte è visto in ingresso ad un gruppo ad assorbimento. Il gruppo ad assorbimento ha la funzione di convertire il flusso termico Qt in un flusso Qc, solitamente acqua refrigerata.

Vale, analogamente alla filiera del biodiesel, il riferimento ai confini dell’unità di trasforma-zione. Come per i confini del sistema anche i confini dell’unità di trasformazione dipendono dall’analisi che si vuole svolgere. Se si dovesse studiare il singolo impianto di trasformazio-ne sarebbe più opportuno eseguire un analisi ad un grado di dettaglio maggiore e quindi considerare l’unita CHP e il gruppo ad assorbimento come due unità distinte. Se invece l’impianto di trigenerazione entra a far parte di uno studio che comprende altri impianti risulta conveniente adoperare un grado di dettaglio minore e quindi considerare l’impianto come una singola unità di trasformazione. Queste assunzioni vengono fatte trascurando per ora i concenti di modellazione. Si vedrà nel capitolo successivo come il passaggio da un grado di dettaglio maggiore ad uno minore sia possibile solamente quando le relazione trai flussi prodotti siano note o possano essere ricavate mediante simulazioni (mappe ca-ratteristiche).

Un ulteriore esempio di triplice utenze può essere rappresentate dalla richiesta di un flusso E e di due flussi Qt a caratteristiche differenti (diversi livelli di temperatura). Per soddi-sfare tale utenze può essere utilizzato un impianto a vapore a derivazione e condensazione [21]. In tali impianti si ha la possibilità di spillare e inviare all’utenza il vapore. Per sod-disfare l’utenza termica si utilizzeranno due spillamenti a due diversi livelli di pressione, i quali cederanno il calore necessario alle due utenze direttamente o tramite un fluido

inter-1.4 Unità di trasformazione di un sistema di conversione 23 medio. La potenza elettrica richiesta dall’utenza verrà generata dall’espansione in turbina del restante vapore.

Per ciò che riguarda gli ingressi sono possibili tutti le interazioni con le sorgenti. Negli esempi visti in precedenza si sono potuti osservare casi in cui l’input fosse singolo, come ad esempio il caso della trigenerazione, o doppi, come il caso del biodiesel. In generale quindi si potranno prevedere tutti i possibili collegamenti tra unità e sorgenti, nella gran parte dei casi si tratterà di ingressi multipli.