Applicazioni cogenerative nel settore delle piastrelle di ceramica LA16

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Applicazioni cogenerative nel settore delle piastrelle di

ceramica – LA16

Ing. Lisa Branchini

DIN- Dipartimento di Ingegneria Industriale, Alma Mater Studiorum, Università di Bologna

Accordo di programma MISE-ENEA «Ricerca di Sistema Elettrico»

PTR 2019-2021

Roma, 2 dicembre, 2021

DICAM- Dipartimento di Ingegneria Civile, Chimica,

Ambientale e dei Materiali, Alma Mater Studiorum,

Università di Bologna.

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OBIETTIVI

1. Definizione ed analisi di un assetto impiantistico cogenerativo relativamente “comune” nelle aziende italiane produttrici di piastrelle ceramiche.

2. Identificazione e quantificazione dei vantaggi energetico- ambientali ad esso associati in termini di maggiore efficienza del processo ed emissioni evitate.

3. Analisi degli attuali criteri di quantificazione del calore utile cogenerativo, con riferimento all’utilizzo diretto dei gas di scarico, e possibili proposte correttive.

4. Analisi tecnico-economica cicli ORC per lo sfruttamento di cascami termici a bassa entalpia presenti all’interno del processo produttivo.

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DEFINIZIONE ED ANALISI DI UN ASSETTO IMPIANTISTICO COGENERATIVO “MEDIO”

Analisi delle schede di diagnosi energetiche - FOGLIO F, integrate con dati specifici forniti da aziende

➢ Complessivamente 95 DE, provenienti da 68 aziende produttrici di piastrelle di ceramica: 28 le schede (siti produttivi) in cui è indicata la presenza di un impianto cogenerativo.

➢ tipologie di motori primi installati: turbine a gas (TG) e motori a combustione interna (MCI);

Tipologia MP: Tipologia MP:

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DEFINIZIONE ED ANALISI DI UN ASSETTO IMPIANTISTICO COGENERATIVO “MEDIO”

Analisi delle schede di diagnosi energetiche - FOGLIO F, integrate con dati specifici forniti da aziende

Tipologia MP: Tipologia MP:

➢ Dall’analisi delle schede di DE si identifica, in tutti i casi, l’atomizzatore quale utenza termica servita dal sistema cogenerativo.

➢ Cogeneratore contribuisce a soddisfare gran parte del fabbisogno termico del processo di essiccamento a spruzzo della barbottina.

UNITÀ DI COGENERAZIONE

CABINA GAS UTILIZZI DI GAS NATURALE

CABINA ENERGIA

ELETTRICA UTILIZZI DI ENERGIA

ELETTRICA UTILIZZI DI ACQUA CALDA

ATOMIZZATORE

Camino

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DEFINIZIONE ED ANALISI DI UN ASSETTO IMPIANTISTICO COGENERATIVO “MEDIO”

Analisi delle schede di diagnosi energetiche - FOGLIO F, integrate con dati specifici forniti da aziende

➢ Dall’analisi delle schede di DE si identifica, in tutti i casi, l’atomizzatore quale utenza termica servita dal sistema cogenerativo.

➢ Cogeneratore contribuisce a soddisfare gran parte del fabbisogno termico del processo di essiccamento a spruzzo della barbottina.

➢ nella maggior parte delle installazioni 1 unità CHP a servizio di 1 ATM.

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DEFINIZIONE ED ANALISI DI UN ASSETTO IMPIANTISTICO COGENERATIVO “MEDIO”

Risultati energetici: CONFIGURAZIONE A

2,000 2,500 3,000 3,500 4,000 4,500 5,000 5,500 6,000

1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5 4.0 4.5

TG MCI

Potenza elettrica CHP , P el,CHP [kW]

portata d'acqua evaporata [kg/s]

0.0 0.10 0.20 0.30 0.40 0.50

3,000 3,500 4,000 4,500 5,000

TG MCI

Rendimento elettrico medio CHP ,  el, CHP [-]

Potenza elettrica CHP, P_el,CHP [kW]

• La taglia elettrica tra i 3.4 e 4.9 MW, valor medio pari a 4 MW.

• Per capacità evaporative ridotte (<2.5 kg/s) sono installati solo motori endotermici.

• MCI si caratterizzano per rendimenti elettrici più alti, tra il 42 ed il 44%, rispetto alle TG che non superano il 33%.

TAGLIA MEDIA: 4 MW

5 10⁶ 10 10⁶ 15 10⁶ 20 10⁶ 25 10⁶ 30 10⁶ 35 10⁶

5 10⁶ 10 10⁶ 15 10⁶ 20 10⁶ 25 10⁶ 30 10⁶ 35 10⁶ TG

MCI

Energia elettrica CHP, E el, CHP[kWh/anno]

Energia elettrica autoconsumata [kWh/anno]

 = 1.0

 = 1.3

• surplus elettrico è marginale (< 30%), suggerendo che design e strategia di regolazione del cogeneratore sono finalizzati al soddisfacimento del carico elettrico.

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DEFINIZIONE ED ANALISI DI UN ASSETTO IMPIANTISTICO COGENERATIVO “MEDIO”

• Percentuale del fabbisogno termico totale coperta dal cogeneratore, Λ: quantifica il contributo del cogeneratore al soddisfacimento del fabbisogno termico complessivo del processo di essiccamento.

ᴧ = 𝐸

_{𝑡ℎ, 𝐶𝐻𝑃}

𝐸

_𝑡ℎ

• Le prestazioni elettriche ridotte delle TG si traducono in un aumento dell’energia termica disponibile nei gas di scarico. Il contributo del calore scaricato dal turbogas cogenerativo arriva a coprire sino all’80 % del fabbisogno termico complessivo (Λ compresi tra il 60 e 80 %).

• Contrariamente, valori di Λ inferiori, tra il 25 ed il 45%, si osservano per i MCI.

0 20 40 60 80 100

0 20,000 40,000 60,000 80,000 100,000 120,000 140,000

Config. A Config. B Config. C

Fabbisogno termico soddisfatto con CHP,  [%]

Massa d'acqua evaporata [t/anno]

MCI TG

TG: 60 - 80 % MCI: 25 - 45 %

Risultati energetici: COPERTURA FABBISOGNO TERMICO

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ANALISI E QUANTIFICAZIONE DEI VANTAGGI ENERGETICI ASSOCIATI ALLA COGENERAZIONE

MODELLAZIONE ATOMIZZATORE CON E SENZA CHP

➢ Valutazione dei flussi termici ingresso e uscita dal processo mediante ricostruzione al calcolatore (ATM SACMI 110 con e senza cogeneratore):

➢ validazione del modello energetico del sistema realizzato (bilanci energetici a disposizione del CENTRO CERAMICO);

➢ quantificazione vantaggi energetici associati all’utilizzo della cogenerazione nel processo di essiccamento a spruzzo della barbottina.

FILTRI

ARIA DI PRESSURIZZAZIONE

VENTILATORE POST-

BRUCIATORE

“FLUE FIRE” GAS

NATURALE

BARBOTTINA

ARIA IN USCITA

ATOMIZZATO PRODOTTO POMPE

FUMI DA TURBINA A GAS

COGENERAZIONE A SUPPORTO DEL PROCESSO DI ATOMIZZAZIONE:

Conf. CON TURBINA A GAS a)

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ANALISI E QUANTIFICAZIONE DEI VANTAGGI ENERGETICI ASSOCIATI ALLA COGENERAZIONE

MODELLAZIONE ATOMIZZATORE CON E SENZA CHP

➢ Valutazione dei flussi termici ingresso e uscita dal processo mediante ricostruzione al calcolatore (ATM SACMI 110 con e senza cogeneratore):

➢ validazione del modello energetico del sistema realizzato (bilanci energetici a disposizione del CENTRO CERAMICO);

➢ quantificazione vantaggi energetici associati all’utilizzo della cogenerazione nel processo di essiccamento a spruzzo della barbottina.

FILTRI

ARIA DI PRESSURIZZAZIONE

VENTILATORE POST-

BRUCIATORE

“FLUE FIRE” GAS

NATURALE

BARBOTTINA

ARIA IN USCITA

ATOMIZZATO PRODOTTO POMPE

FUMI DA TURBINA A GAS

COGENERAZIONE A SUPPORTO DEL PROCESSO DI ATOMIZZAZIONE:

Conf. CON TURBINA A GAS a)

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ANALISI E QUANTIFICAZIONE DEI VANTAGGI AMBIENTALI ASSOCIATI ALLA COGENERAZIONE

INDICATORI PER VALUTAZIONE AMBIENTALE

Approccio locale:

metodo dell’energia elettrica evitata

𝐸𝑆𝐼 = 𝐴 + 𝐵 − 𝐶 𝐴 + 𝐵

Approccio globale:

Emission Saving Index

Confronto effettuato a parità di energia termica richiesta dal processo includendo, quindi, anche il contributo delle emissioni legate al consumo di

gas naturale nel post-bruciatore.

Emissioni del sistema CHP confrontate con emissioni della produzione separata: rete elettrica nazionale (A) e da un bruciatore in vena d’aria (B).

Configurazione CHP CON MCI

Configurazione CHP CON TG

ESI CO₂ 12.3 % 25.8 %

convenienza nell’adozione della soluzione cogenerativa per tutte le tipologie di emissioni inquinanti ad eccezione del CO nella configurazione con MCI.

Configurazione CHP CON MCI

Configurazione CHP CON TG

𝛿 _{𝐶𝐻𝑃+𝑃𝐵 ,𝑖} 𝛿_{𝑛𝑒𝑤,𝑖} 𝛿_{𝑟𝑖𝑠𝑝,𝑖} 𝛿 _{𝐶𝐻𝑃+𝑃𝐵 ,𝑖} 𝛿_{𝑛𝑒𝑤,𝑖} 𝛿_{𝑟𝑖𝑠𝑝,𝑖} NO_X

[mg/kWh_th] 188 96 173 201 122 147

CO

[mg/kWh_th] 749 709 - 485 73 39 185

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Materie

prime Macinazione Atomizzazione Pressatura Essiccamento Cottura

a secco

Decorazione della superficie

Scelta e imballaggio Lavorazioni

post-cottura

Aria in uscita dagli essiccatoi (T= 80-160 °C)

Fumi di combustione e aria di raffreddamento

forni (T= 150-250 °C)

➢ Sfruttamento dei cascami termici a «BASSA ENTALPIA»

mediante cicli Rankine a fluido Organico (ORC) per la generazione di potenza elettrica.

SFRUTTAMENTO CASCAMI TERMICI A BASSA ENTALPIA

FATTIBILITÀ TECNICO-ECONOMICA PRELIMINARE CICLO ORC

POMPA

EVAPORATORE

RECUPERATORE

SORGENTE DI CALORE

CONDENSATORE

Fluido organico ARIA

ESPANSORE

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Materie

a secco

post-cottura

forni (T= 150-250 °C)

SFRUTTAMENTO CASCAMI TERMICI A BASSA ENTALPIA

FATTIBILITÀ TECNICO-ECONOMICA PRELIMINARE CICLO ORC

POMPA

EVAPORATORE

RECUPERATORE

SORGENTE DI CALORE

CONDENSATORE

Fluido organico ARIA

ESPANSORE

0 20 40 60 80 100

0 100 200 300 400 500 600

R152a - Tsorgente = 100 °C R152a - Tsorgente = 150 °C Ciclopentano - Tsorgente = 200 °C

0 100 200 300 400 500 600 700

Potenza elettrica netta [kW]

Potenza termica recuperata [kW]

Energia elettrica netta [MWh/anno]

➢ Analisi parametrica al variare della temperatura della sorgente (100 - 200 °C) e della potenza termica disponibile (50 - 500 kW).

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Materie

a secco

post-cottura

forni (T= 150-250 °C)

SFRUTTAMENTO CASCAMI TERMICI A BASSA ENTALPIA

FATTIBILITÀ TECNICO-ECONOMICA PRELIMINARE CICLO ORC

0 100,000 200,000 300,000 400,000 500,000 600,000

0 20,000 40,000 60,000 80,000 100,000 120,000 140,000

0 100 200 300 400 500 600

R152a - Tsorgente = 100 °C - vendita R152a - Tsorgente = 150 °C - vendita Ciclopentano - Tsorgente = 200 °C - vendita

R152a - Tsorgente = 100 °C - autoconsumo R152a - Tsorgente = 150 °C - autoconsumo Ciclopentano - Tsorgente = 200 °C - autoconsumo

Costo massimo di investimento [euro] Ricavi annui [euro]

Potenza termica recuperata [kW]

➢ Analisi parametrica al variare della temperatura della sorgente (100 - 200 °C) e della potenza termica disponibile (50 - 500 kW).

➢ Fattibilità economica del sistema ORC con due differenti scenari di utilizzo dell’energia elettrica prodotta: vendita rete e autoconsumo + vendita CB.

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Applicazioni cogenerative nel settore delle piastrelle di ceramica LA16