7.
Dimensionamento dell’impianto di Santa Croce
7.1. Specifiche dell’impianto
L’impianto dovrà essere di tipo combinato gas vapore a derivazione e condensazione. Il combustibile è il gas naturale.
Ipotesi di funzionamento: dalle ore 7:00 alle 19:00 dal lunedì al venerdì, sabato dalle 8:00 alle 12:00 escluso il mese di agosto per un totale di 3136 annue.
Sono previste quindi le seguenti fermate giornaliere di 10 – 12 ore, una fermata settimanale da 36 – 48 ore e una fermata annuale di 3 settimane.
L’impianto deve fornire 238 GWh /anno di calore alla zona industriale di Santa Croce e 38,9 GWh/anno alla zona industriale di Ponte a Cappiano. In totale 276,9 GWh /anno.
La potenza termica media annua da fornire risulta 88297,2 KW
Il calore sarà distribuito con rete di teleriscaldamento ad acqua calda in pressione a 8 bar.
La temperatura di mandata dovrà essere di 160 °C, mentre la temperatura di ritorno sarà di 100°C.
Occorre inoltre che:
LT = Et / (Et +Ee) > 0,15 IRE > 0,1
Temperatura ambiente 15 °C Pressione ambiente 1,013 bar
7.2. Impianto di Santa Croce: Ipotesi di impianto 1-A
Economizzatore AP Evaporatore AP C Surriscaldatore AP CC TG AP BP BP Economizzatore comune Evaporatore BP surriscaldatore BP Scambiatore di calore Degasatore Condensatore Camino Utenza termica 100°C 160°C Fumi7.2.1.
Descrizione dei componenti principali Turbina a gas Siemens modello V94.2:q 159000 KW potenza erogata
q 510 kg/s portata massica dei fumi
q 540 °C temperatura dei fumi allo scarico
q 34,5 % rendimento al generatore
q velocità di rotazione 3000 giri/1’
q 25 ppm emissioni di NOx q rapporto di compressione 11
La V94.2 è una macchina estremamente collaudata, adatta per processi in ciclo aperto o combinato, con o senza cogenerazione e per tutte le condizioni di carico, in particolare per quelle di picco. La V94.2 detiene il record di durata senza problemi con più di 120 unità in esercizio, circa 70.000 partenze e più di 4.000.000 di ore di funzionamento.
Caratteristiche tecniche della V94.2:
q Alloggiamento con divisione orizzontale;
q Due camere di combustione ispezionabili direttamente dal personale durante le manutenzioni;
q Camere di combustione rivestite internamente da piastrelle sostituibili di materiale ceramico
q Compressore assiale a 16 stadi, con collettore di aspirazione con palette guida ad incidenza variabile;
q Opzione: collettore di aspirazione con palette guida ad azionamento rapido per funzionamento a carico di picco e stabilizzazione in frequenza;
q Turbina a quattro stadi;
q Palette del rotore sostituibili con rotore in sede;
q Bruciatori ibridi per funzionamento in premix e diffusione in grado di funzionare con gas naturale, olio, e combustibili speciali come olii pesanti e residui di raffinazione;
q Sistema di combustione a basse emissioni di NOx.
Caldaia a recupero orizzontale senza bruciatori ausiliari a due livelli di pressione:
q bassa pressione 6 bar,
q alta pressione 70 bar,
q temperatura di surriscaldamento vapore alta pressione 520 °C,
q temperatura surriscaldamento vapore bassa pressione 210 °C,
q differenze di temperature minime nelle sezioni di alta e bassa pressione rispettivamente: TppH = 6°C e TppL= 7,5°C.
Sono ammesse dalla caldaia a recupero una ripartenza a freddo una volta al mese una ripartenza tiepida una volta alla settimana ed una ripartenza calda al giorno, quindi in 25 anni 300 ripartenze fredde, 1300 ripartenze tiepide e 9000 ripartenze calde.
Turbina a vapore Siemens SST-700
Con:
q sezione a alta pressione HP 70 bar
q sezione bassa pressione LP 6 bar
q rendimento isoentropico HP = 0,89
q rendimento isoentropico LP = 0,85
q spillamento di vapore a 10 bar sulla sezione di alta pressione.
Degasatore
q acqua in ingresso a 12 bar e 150,9 °C
q vapore spillato a 210 °C e 6 bar
q acqua in uscita al degasatore a 158,9 °C e 6 bar
Condensatore
q pressione al condensatore 0.055 bar
q temperatura di condensazione 34,5 °C
7.2.2.
Riassunto prestazioni dell’impianto Per il dettaglio dei calcoli si rimanda all’appendice B.q Potenza introdotta con il combustibile = 460869,5 KW
q Potenza termica recuperata dai fumi = 252794,4 KW
q Potenza termica perduta al camino = 48075,6 (10,43%)
q Potenza termica ceduta al condensatore 89412 KW (19,4%)
q Potenza termica erogata minima 0 KW
q Potenza termica erogata nominale 91347,3 KW (19,82%)
q Potenza termica erogata massima 162664 KW
q Potenza elettrica lorda minima ai morsetti generatore 199271,5 KW
q Potenza elettrica lorda nominale ai morsetti generatore 219481 KW (47,6 %)
q Potenza elettrica lorda massima ai morsetti generatore 245368 KW
q Potenza elettrica netta nominale ai morsetti trasformatore elevatore 215091,4 KW (2% autoconsumi)
Campo di funzionamento dell'impianto 1-A 0 50000 100000 150000 200000 250000 300000 Termica minima-elettrica massima Termica nominale-elettrica nominale Termica massima-elettrica minima Punto di funzionamento KW Potenza termica Potenza elettrica
Il grafico seguente fornisce la distribuzione dell’energia quando l’impianto funziona in condizioni nominali. Le percentuali si riferiscono all’energia primaria introdotta.
Distribuzione dell'energia 48% 20% 0% 3% 19% 10%
Potenza elettrica generata Potenza termica erogata Perdite al generatore Perdite turbina a vapore Perdite al condensatore Perdite al camino
7.2.3.
Verifica limiti delibera AEEG 42/02 Per le definizioni ed i parametri di confronto vedere l’appendice C. ore di funzionamento annue 3136potenza elettrica totale 215091,4 KW potenza termica erogata 91347,3 KW Et = 286,4 GWh
Ee = 674,5 GWh Ec = 1445,28 GWh LT = 0,298 > 0,15
IRE = 1 - Ec/(Ee/0,53+Et/0,9) = 0,091 < 0,100.
Le condizioni per l’assimilabilità a fonte rinnovabile non è completamente soddisfatta.
Rendimento elettrico netto = 46,6 % Indice elettrico = Ee/Et = 2,35
Rapporto cogenerazione = Et/Ee = 0,42
Indice di sfruttamento del combustibile = (Ee+Et)/Ec = 66,48%
7.2.4.
Analisi economica DATI DI RIFERIMENTO:q Durata dell’investimento 25 anni
q Potenza elettrica installata 245 MW
q Potenza termica installata 100 MW
q Energia termica erogata all’anno 286,4 Gwh
q Energia elettrica erogata all’anno 674,5 Gwh
q Energia termica consumata attualmente 277 Gwh
q Costo impianto 350 Euro/Kwe installato + 100 Euro/Kwt
q Costo rete di teleriscaldamento zone industriali di Santa Croce e Ponte a Cappiano 8.150.000 Euro
q Numero utenze termiche 370
q costo allacciamento utenze 15000 Euro/utenza
q Costo pieno metano 0,496 Euro/Nm3 per produzione energia elettrica
q Costo defiscalizzato metano 0,326 Euro/Nm3 per produzione energia elettrica
q Quota di metano sottoposto a defiscalizzazione 0,25 Nm3/kwh
q Costo energia elettrica 0,110 Euro/Kwh al netto del’IVA
q Costo esercizio manutenzione e spese generali 0,004 Euro/Kwh
q Prezzo di vendita degli esuberi di energia elettrica 0,06 Euro/ Kwh (100% ore piene)
q Prezzo di vendita energia distribuita nel distretto 0,09 Euro/kwh (100% ore piene)
q Tasso di sconto annuo 5 %
INVESTIMENTO INIZIALE I
costo impianto 95.750.000 Euro
costo rete teleriscaldamento 8.150.000 Euro numero utenze termiche 370
costo allacciamento utenze 5.550.000 Euro (15000 Euro/utenza) I = 109.450.000 Euro
COSTI
Costo annuale esercizio manutenzione e spese generali Ce = 2750000 Euro Gas necessario 150.661.165 Nm3
quota di gas da defiscalizzare 0,25 * 674.000.000 = 168.500.000 Nm3 (tutto il metano) Costo annuale combustibile Cc = 49.115.534 Euro
RICAVI
Costo annuale attuale dell’energia termica alle imprese energia primaria consumata 277 Gwh
metano consumato dalle imprese 28.875.472 Nm3 Costo energia termica Ct = 15.766.007 Euro
Ricavi annuali derivanti dall’energia termica
si riduce cautelativamente del 10% rispetto alla spesa attuale quindi Rt = 0,9 * 15.766.007= 14.189.406 Euro
Ricavi annuali derivanti dall’energia elettrica
energia distribuita direttamente nel distretto 200 Gwh energia in esubero 474,5 Gwh
RISULTATO ECONOMICO
Investimento iniziale 109.450.000 Euro Costo annuale esercizio 51.865.534 Euro Ricavi annuali esercizio 60.659.406 Euro Utile annuale esercizio 8.739.872 Euro
Senza prendere in considerazione il ricavo derivante dalla vendita dei certificati verdi si ha: VAN = 9.006.528 € TIR = 5,81 % PBT = 22 anni VAN -120.000.000 € -100.000.000 € -80.000.000 € -60.000.000 € -40.000.000 € -20.000.000 € 0 € 20.000.000 € 1 3 5 7 9 11 13 15 17 19 21 23 25 Anni
7.2.5.
Calcolo CO2 risparmiataCome riferimento per la produzione separata si prendono gli impianti più efficienti allo stato attuale:
q Impianto di riferimento per la produzione separata di energia elettrica: Impianto combinato gas-vapore a gas metano con rendimento netto pari a 0,53.
q Impianto di riferimento per la produzione separata di calore: caldaia a metano con rendimento 0,9.
In realtà il rendimento medio del parco macchine italiano è circa il 39%, e poi si brucia per lo più carbone e olio combustibile. nel comprensorio del cuoio il rendimento medio delle caldaie è di 0,85 circa.
In queste condizioni la percentuale di CO2 risparmiata coincide col IRE% calcolato in
7.3. Impianto di Santa Croce: Ipotesi di impianto 1-B
Condensatore surriscaldatore BP Evaporatore BP Economizzatore AP Surriscaldatore AP CC C TG Evaporatore AP AP BP BP Economizzatore comune Camino 160°C 100°C Utenza termica Scambiatore di calore Degassatore Fumi CC C TG7.3.1.
Descrizione dei componenti principali Due Turbine a gas Siemens modello V64.3ADati relativi a una unità:
q 68000 KW potenza erogata
q 192 kg/s portata massica dei fumi
q 589 °C temperatura dei fumi allo scarico
q 34,8 % rendimento al generatore
q velocità di rotazione 3000 giri/1’
q 25 ppm emissioni di NOx
Caldaia a recupero orizzontale senza bruciatori ausiliari a due livelli di pressione:
q bassa pressione 6 bar,
q alta pressione 80 bar,
q temperatura di surriscaldamento vapore alta pressione 540 °C,
Sono ammesse dalla caldaia a recupero una ripartenza a freddo una volta al mese una ripartenza tiepida una volta alla settimana ed una ripartenza calda al giorno, quindi in 25 anni 300 ripartenze fredde, 1300 ripartenze tiepide e 9000 ripartenze calde.
Turbina a vapore Siemens SST-700
Con:
q sezione a alta pressione HP 80 bar
q sezione bassa pressione LP 6 bar
q rendimento isoentropico HP = 0,89
q rendimento isoentropico LP = 0,85
q spillamento di vapore a 10 bar sulla sezione di alta pressione.
Degasatore
q acqua in ingresso a 12 bar e 150,9 °C
q vapore spillato a 210 °C e 6 bar
q acqua in uscita al degasatore a 158,9 °C e 6 bar
Condensatore
q pressione al condensatore 0.055 bar
q temperatura di condensazione 34,5 °C
7.3.2.
Riassunto prestazioni dell’impianto Per il dettaglio dei calcoli si rimanda all’appendice B.q Potenza introdotta con il combustibile = 390804,6 KW
q Potenza termica recuperata dai fumi = 214671,6 KW
q Potenza termica perduta al camino = 33441,3 (8,55%)
q Perdite al generatore 6691,6 KW (1,45%)
q Potenza termica ceduta al condensatore 62009,5 KW (15,8%)
q Potenza termica erogata minima 0 KW
q Potenza termica erogata nominale 91347,3 KW (23,3%)
q Potenza termica erogata massima 142576 KW
q Potenza elettrica lorda minima ai morsetti generatore 171516,8 KW
q Potenza elettrica lorda nominale ai morsetti generatore 186029,6 KW (47,6 %)
q Potenza elettrica netta nominale ai morsetti trasformatore elevatore 182309 KW (2% autoconsumi)
Campo di funzionamento dell'impianto 1-B
0 50000 100000 150000 200000 250000 Termica minima-elettrica massima Termica nominale-elettrica nominale Termica massima-elettrica minima Punto di funzionamento KW Potenza termica Potenza elettrica
Il grafico seguente fornisce la distribuzione dell’energia quando l’impianto funziona in condizioni nominali. Le percentuali si riferiscono alla energia primaria introdotta.
Distribuzione dell'energia 48% 23% 1% 3% 16% 9%
Potenza elettrica generata Potenza termica erogata Perdite al generatore Perdite turbina a vapore Perdite al condensatore Perdite al camino
7.3.3.
Verifica limiti delibera AEEG 42/02 Per le definizioni ed i parametri di confronto vedere l’appendice C. ore di funzionamento annue 3136potenza elettrica totale 182309 KW potenza termica erogata 91347,3 KW Et = 286,4 GWh
Ee = 571,7 GWh Ec = 1225,56 GWh LT = 0,335 > 0,15
IRE = 1 - Ec/(Ee/0,53+Et/0,9) = 0,122 > 0,100.
Rendimento elettrico netto = 46,64 % Indice elettrico = Ee/Et = 1,99
Rapporto cogenerazione = Et/Ee = 0,5
Indice di sfruttamento del combustibile = (Ee+Et)/Ec = 70%
7.3.4.
Analisi economica DATI DI RIFERIMENTO:q Durata dell’investimento 25 anni
q Potenza ele ttrica installata 212 MW
q Potenza termica installata 100 MW
q Energia termica erogata all’anno 286,4 Gwh
q Energia elettrica erogata all’anno 571,7 Gwh
q Energia termica consumata attualmente 277 Gwh
q Costo impianto 400 Euro/Kwe installato + 100 Euro/Kwt
q Costo rete di teleriscaldamento zone industriali di Santa Croce e Ponte a Cappiano 8.150.000 Euro
q Costo allacciamento utenze 15000 Euro/utenza
q Numero di utenze 370
q Costo pieno metano 0,496 Euro/Nm3 per produzione energia elettrica
q Costo defiscalizzato metano 0,326 Euro/Nm3 per produzione energia elettrica
q Quota di metano sottoposto a defiscalizzazione 0,25 Nm3/kwh
q Costo metano ad uso industriale 0,546 Euro/Nm3
q Costo esercizio manutenzione e spese generali 0,004 Euro/Kwh
q Prezzo di vendita degli esuberi di energia elettrica 0,06 Euro/ Kwh (100% ore piene)
q Prezzo di vendita energia distribuita nel distretto 0,09 Euro/kwh (100% ore piene)
q Tasso di sconto annuo 5 %
INVESTIMENTO INIZIALE I
costo impianto 94.800.000 Euro
costo rete teleriscaldamento 8.150.000 Euro costo allacciamento utenze 5.550.000 Euro I = 108.500.000 Euro
COSTI
Costo annuale esercizio manutenzione e spese generali Ce = 2761600 Euro Gas necessario 124.219.156 Nm3
quota di gas da defiscalizzare 0,25 * 571.000.000 = 142.750.000 Nm3 (tutto il metano) Costo annuale combustibile Cc = 40.495.444 Euro
RICAVI
Costo annuale attuale dell’energia termica alle imprese energia primaria consumata 277 Gwh
metano consumato dalle imprese 28.875.472 Nm3 Costo energia termica Ct = 15.766.007 Euro
Ricavi annuali derivanti dall’energia termica
si suppone che le imprese risparmino il 10% rispetto alla spesa attuale quindi Rt = 0,9 * 15.766.007= 14.189.406 Euro
Ricavi annuali derivanti dall’energia elettrica
energia distribuita direttamente nel distretto 200 Gwh energia in esubero 371,7 Gwh
RISULTATO ECONOMICO
Investimento iniziale 108.500.000 Euro Costo annuale esercizio 43.257.044 Euro Ricavi annuali esercizio 54.491.406 Euro Utile annuale esercizio 11.234.362 Euro
Senza prendere in considerazione il ricavo derivante dalla vendita dei certificati verdi si ha: VAN = 42.980.919 € TIR = 8,68 % PBT = 15 anni VAN -120,000,000 € -100,000,000 € -80,000,000 € -60,000,000 € -40,000,000 € -20,000,000 € 0 € 20,000,000 € 40,000,000 € 60,000,000 € 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 Anni
7.3.5.
Calcolo CO2 risparmiataCome riferimento per la produzione separata si prendono gli impianti più efficienti allo stato attuale:
q Impianto di riferimento per la produzione separata di energia elettrica: Impianto combinato gas-vapore a gas metano con rendimento netto pari a 0,53.
q Impianto di riferimento per la produzione separata di calore: caldaia a metano con rendimento 0,9.
In realtà il rendimento medio del parco macchine italiano è circa il 39%, e poi si brucia per lo più carbone e olio combustibile. nel comprensorio del cuoio il rendimento medio delle caldaie è di 0,85 circa.
In queste condizioni la percentuale di CO2 risparmiata coincide col IRE% calcolato in
