Capitolo 2

Capitolo 2

2

Problematiche relative all’esercizio ed alla scelta

del sistema cogenerativo/trigenerativo

2.1

Esercizio di un cogeneratore

Un impianto di cogenerazione è tradizionalmente esercito secondo tre modalità di funzionamento: generazione a potenza imposta, inseguimento del carico elettrico, inseguimento del carico termico. Ad ognuna di esse corrispondono differenti quantità di energia termica ed elettrica disponibili, per cui vanno di volta in volta considerati i benefici e gli svantaggi relativi al funzionamento adottato. Infatti, inevitabilmente, si presenteranno esuberi e/o deficit di energia che obbligheranno a ricorrere ad adeguati sistemi di integrazione. A guidare la scelta è comunque il livello di contemporaneità dei carichi termoelettrici e il tipo di tecnologia adoperato per la cogenerazione.

2.1.1 Potenza imposta

Con questa modalità di funzionamento non si tenta di soddisfare il massimo carico elettrico o termico richiesto dall'utenza; infatti il verificarsi del massimo assorbimento energetico va considerato un evento occasionale, poco significativo ai fini progettuali. Altresì si procede col tentativo di soddisfare le esigenze medie, ed in tale condizione massimizzare lo sfruttamento del calore di processo.

Si ha chiaramente un funzionamento in parallelo alla rete, prevedendo di poter cedere ad essa l'eccesso di energia elettrica prodotta ed acquistare quella mancante. Il soddisfacimento dell'utenza termica è così subordinato alla imposta marcia del cogeneratore, per cui è senz'altro necessaria una caldaia di integrazione.

La potenza prescelta potrebbe anche essere imposta da aspetti tecnici legati alla tecnologia utilizzata: ad esempio si potrebbe scegliere una marcia che ottimizzi le prestazioni della macchina cogenerativa.

2.1.2 Inseguimento elettrico

Optando per tale soluzione si richiede al cogeneratore di seguire costantemente il carico elettrico dell'utenza asservita. Non viene prevista quindi la possibilità di cedere energia elettrica alla rete, ma rimane comunque la necessità dell'allacciamento ad essa per sopperire ad eventuali deficit di potenza programmati od imprevisti (manutenzione, guasti). Tale scelta è in ogni modo strettamente legata al tipo di motore primo utilizzato: un motore diesel, ad esempio, si adatta male a questa modalità di funzionamento potendo inseguire il carico non al di sotto di metà della potenza nominale, pena un forte degrado del rendimento. Anche la tipologia di utenza svolge un ruolo determinante ai fini della scelta di tale modalità di funzionamento: un andamento del diagramma di carico elettrico molto altalenante può costituirne un deterrente.

La presenza di una caldaia di integrazione è indispensabile, potendo sfruttarsi in cogenerazione il solo calore prodotto durante l'inseguimento elettrico, indipendentemente dalle necessità termiche dell'utenza.

2.1.3 Inseguimento termico

Tenuto conto che difficilmente eventuali eccedenze di calore sono cedibili all'esterno e la tecnologia disponibile non consente un accumulo vantaggioso in termini economici, in questa configurazione si da assoluta priorità al soddisfacimento del carico termico. Si ha quindi la possibilità di svincolarsi quasi interamente da sistemi di integrazione del calore, anche se vanno sempre tenute presenti le soste programmate (manutenzione) o accidentali (guasti) dell'impianto.

La connessione in parallelo alla rete elettrica prevede l'acquisto e l'eventuale cessione di energia.

Nella applicazione a piccole utenze di tale modalità di funzionamento occorre a volte sovradimensionare la taglia del cogeneratore rispetto alle esigenze elettriche dell'utenza per poter disporre di adeguate quantità di calore di processo.

Presupposto spesso imprescindibile per tale esercizio è un grande numero di ore di utilizzazione dell'energia termica ed una spiccata contemporaneità dei carichi termoelettrici.

2.2

Altre opportunità operative: produzione e autoproduzione

La legislazione vigente, e precisamente il decreto Bersani 79/99, effettua una distinzione tra "produttori" ed "autoproduttori" di energia elettrica.

Il su citato decreto all'articolo 2 comma 2 recita testualmente: “Autoproduttore e' la persona fisica o giuridica che produce energia elettrica e la utilizza in misura non inferiore al 70% annuo per uso proprio ...”

La qualifica di "produttore" o di "autoproduttore" consente di usufruire di incentivi tali da poter indurre ad esercire l'impianto in modo da soddisfare i requisiti necessari all'ottenimento della suddetta.

2.3

Tecnologie disponibili sul mercato

2.3.1 Cogeneratori

Tra le varie tecnologie adoperate per la cogenerazione distribuita é possibile una preliminare distinzione in

• tradizionali: motori alternativi, turbine a gas, turbine a vapore • innovative: celle a combustibile, microturbine

Tecnologie tradizionali 1. motori alternativi 2. turbine a gas 3. turbine a vapore

1. I motori alternativi vengono suddivisi in: Diesel, se l'accensione è per compressione; Otto, nel caso di accensione comandata a scintilla.

Tali motori sono ampiamente reperibili sul mercato, per taglie fino ad alcune decine di MW, e si prestano all'esercizio ad una velocità sincrona, comunque decrescente con la taglia. In ogni caso i motori Diesel possono inseguire il carico in modo soddisfacente fino a circa metà del carico nominale; anche i motori a gas sono idonei all'inseguimento, conservando a metà carico 1' 85/90 % del loro rendimento

1 MW e 38% per un motore a gas. Questi rendimenti restano elevati anche per motori di glia intorno ai 100 kW, indicativamente 37% e 34% rispettivamente, unto di forza dei motori Diesel è un costo di istallazione relativamente contenuto, sebbene le restrizioni sulle emissioni di sostanze inquinanti aggravano i costi in funzione della loro severità, soprattutto per piccole taglie; i motori a gas sono più costosi ma meno penalizzati dal sistema di abbattimento delle emissioni. I motori endotermici hanno lo svantaggio di fornire fluido a bassa entalpia(acqua calda).

2. Le turbine a gas sono caratterizzate da: elevata affidabilità, possibilità di generazione di vapore ad alta pressione e basse emissioni.

Inoltre hanno costi di gestione molto contenuti ed elevati rapporti di potenza sia rispetto al peso che all'ingombro.

Il calore di elevata qualità può essere utilizzato per generare vapore per usi industriali o per sistemi di condizionamento dell'aria (aeroporti, centri commerciali, ospedali). Le turbine a gas costituiscono un'ottima scelta per impieghi di cogenerazione in impianti industriali e commerciali, per potenze maggiori di 5 MW. Tra i 2 ed i 5 MW si utilizzano per applicazioni di riserva di potenza, laddove i limiti sulle emissioni di NOx sono molto stringenti, cedendo invece il passo ai motori Diesel per la generazione continua. Sotto i 2 MW il loro costo di impianto rende più difficile la concorrenza coi motori alternativi, anche per applicazioni di riserva.

Tra i fattori che influenzano la soglia di convenienza tra Diesel e turbine a gas vi è la curva di carico, dato che il punto debole di queste ultime è, con il vincolo della velocità di rotazione costante, la scarsa flessibilità di parzializzazione.

Infine la necessità di avere gas combustibile ad alta pressione costituisce un limite significativo alla diffusione di piccole turbine a gas.

3. Le turbine a vapore occupano ad oggi un posto importante tra gli impianti di autoproduzione attualmente in servizio con taglie superiori ai 5 MW; tuttavia la tendenza degli ultimi anni è quella di lasciare il posto alle turbine a gas per taglie sempre più elevate.

Tecnologie innovative 1. microturbine

1. La microturbina è una particolare turbina a gas che garantisce buone prestazioni anche per taglie notevolmente inferiori a quelle degli usuali turbogas industriali. Essa realizza un ciclo Brayton semplice, con compressore centrifugo monostadio, turbina centripeta ad uno o due stadi e palette non raffreddate. Altre caratteristiche sono il rapporto di compressione alto per il singolo stadio ma relativamente basso in assoluto, velocità di rotazione elevate e variabili, presenza di un inverter, che trasforma la corrente alternata ad alta frequenza in continua e finalmente in alternata a frequenza industriale.

La microturbina si presta bene a cedere il proprio calore di scarico ad un'utenza termica, non solo dal punto di vista termodinamico, ma anche perché è probabile che ai siti idonei alla generazione elettrica distribuita corrisponda la presenza di utenze termiche in loco, a differenza di quanto spesso succede per impianti di grossa taglia. La velocità di rotazione è attorno al centinaio di migliaia di giri al minuto; le potenze sono tra le decine di kW e i 100-200 kW; i rendimenti sono tra il 20 e 25%.

Le prospettive di affermazione delle microturbine sono legate all'evoluzione dei materiali ceramici per l'esercizio alle alte temperature.

Esse non presentano il vincolo della velocità di rotazione costante: a metà carico mantengono 1'85-90 % del rendimento nominale. Le taglie attuali sono comprese tra le decine e le poche centinaia di kW.

Le maggiori difficoltà nell'adozione di tale tecnologia per la trigenerazione risiedono negli elevati costi di impianto, che ammontano a 900-1100 euro/kW.

2. Le celle a combustibile sono dispositivi elettrochimici che convellono direttamente l'energia chimica di una reazione in energia elettrica.

Sono costituite da uno strato di elettrolita che separa un catodo ed un anodo porosi. Le reazioni elettrochimiche che generano energia elettrica avvengono agli elettrodi e continuano fintanto che anodo e catodo sono alimentati dall'esterno, rispettivamente da un combustibile (idrogeno, gas di riforma di idrocarburi) e da un ossidante (ossigeno dell'aria).

La scelta dell'elettrolita definisce la temperatura ottimale di esercizio della cella, le modalità operative, le caratteristiche costruttive e le relative problematiche.

solidi (SOFC; T ≈ 1000°C); le prime due tipologie hanno rendimenti elettrici dell'ordine del 40%, mentre per quelle ad alta temperatura di esercizio, ancora in via di sviluppo, sono stati dimostrati rendimenti elettrici del 47%.

Il calore fornito dalla reazione elettrochimica può essere recuperato sotto forma di acqua calda o vapore, portando il rendimento complessivo termico ed elettrico a valori compresi tra l'80 ed il 90 %.

Le celle a combustibile generano corrente continua come le batterie, necessitano quindi di un inverter che fornisca corrente alternata alla frequenza sincrona. Quelle disponibili sul mercato hanno costi di installazione elevati e non competitivi con le altre tecnologie disponibili.

Ciò non di meno, è plausibile uno sviluppo futuro delle suddette celle, avendo queste un basso impatto ambientale in termini di emissioni inquinanti, elevato rendimento elettrico anche a carico parziale, modularità e intrinseca predisposizione alla cogenerazione.

La tabella seguente riassume le principali caratteristiche delle tecnologie su esposte.

tecnologie cogenerative motori diesel motori gas turbine gas microturbine celle combust

potenza kW 25-20.000 50-5.000 500-30.000 30-200 300-50.000

rendimento elettrico 27-44 24-37 25-40 21-30 30-60

rendimento totale 85-88 85-88 85-90 80-85 75-85

vita operativa h 60.000 60.000 110.000 60.000 45.000

rumore a 1m dB 70-115 70-115 75-90 65-80 60

costo impianto euro/kW 200-350 250-750 300-900 700-1.000 3.500-5.000

costo manuten. euro/kWh 0,005-0,01 0,007-0,02 0,003-0,008 0,005-0,01 0,005-0,02

costi aggiutivi euro/kWh 75-150 75-150 100-200 75-350

-Tabella 2.1 Tecnologie per sistemi di cogenerazione e loro caratteristiche

2.3.2 Gruppi frigoriferi

Le tipologie fondamentali dei gruppi refrigeratori d'acqua utilizzati per la climatizzazione di ambienti civili e residenziali possono essere riassunte in quattro categorie principali, che si differenziano per il sistema di produzione del freddo: • con compressori alternativi

• con compressori a vite • con compressori centrifughi

• ad assorbimento

Nelle prime tre il freddo è prodotto mediante ciclo termodinamico del gas frigorigeno, il quale subisce una compressione meccanica, un'espansione e lo scambio termico; esse si differenziano fra loro per il diverso tipo di compressore del gas frigorigeno.

Invece per la quarta categoria, definita "ad assorbimento", il principio della produzione del freddo è di natura chimico-fisica, infatti si basa sulla variazione di concentrazioni di soluzioni saline mediante somministrazione di calore, con organi meccanici in movimento notevolmente ridotti rispetto a quelli delle altre categorie a ciclo termodinamico.

Più in dettaglio il gruppo ad assorbimento opera attraverso lo schema di principio sottostante

Figura 2.1

dove:

1. Fonte di calore per il recupero 2. Scambiatore di calore

3. Acqua riscaldata dal chiller 4. Ventola

5. Cooling

6. Torre di raffreddamento

elettrica assorbita ed il coefficiente di prestazione, che indica il rendimento globale del compressore stesso.

Il coefficiente di prestazione COP è il rapporto tra la capacità termica e la potenza elettrica assorbita in kW.

Si tratta di un parametro la cui importanza nella scelta del compressore diventa sempre maggiore, non solo per l'economia dell'impianto in generale, ma anche in considerazione dell'impegno alla conservazione dell'energia sul pianeta.

I fattori principali nella scelta dei gruppi refrigeratori d'acqua per gli impianti di climatizzazione sono il costo iniziale, i costi di esercizio e la sicurezza generale. In una particolare gestione tecnico-economica di una struttura climatizzata, si può anche ricorrere al soddisfacimento del carico frigorifero con gruppi eterogenei, diversificando le fonti di energia alla quali i gruppi stessi sono asserviti, scegliendo ad esempio un gruppo ad azionamento elettrico ed un altro ad assorbimento.

Il funzionamento alternato o contemporaneo delle due soluzioni impiantistiche può essere ottimizzato sulla base di accurate analisi dei costi dell'energia primaria.

Infatti l'installazione ,di un gruppo ad assorbimento va confrontata con quella di tradizionali gruppi a compressione asserviti alla medesima utenza, al fine di analizzare costi di impianto e costi di esercizio.

I risultati dell'indagine hanno subito evidenziato l'inadeguatezza dei gruppi elettrocompressori centrifughi, in quanto, a fronte di un elevato COP, sono progettati per utenze frigorifere particolarmente grosse (superiori a 2 MW) ed hanno un assorbimento elettrico limitato inferiormente a 800 kW.

Per le restanti tre tipologie, il confronto ha prodotto i seguenti risultati: elettrocompressori alternativi

• range indicativo di potenza frigorifera: 10-1.000 kW • COP medio: 3-4

• grado di parzializzazione: a gradini in funzione del n° di compressori

• requisiti dell'utenza: potenza frigorifera medio bassa da poche decine di kW fino a 1,5 MW; disponibilità di energia elettrica

• tipologia d'utenza: edificio di piccola e media cubatura

• vantaggi: utilizzo per utenze con potenze anche molto basse, riserva intrinseca anche con una sola macchina a pluricompressori, costo relativamente basso

• svantaggi: COP inferiore rispetto a quello di macchine a vite o centrifughe, parzializzazione a gradini non continua limitata in funzione del n° complessivo di compressori in centrale

elettrocompressori a vite

• range indicativo di potenza frigorifera: 20-2.000 kW • COP medio: 5-6

• grado di parzializzazione continuo da 100% a 10%

• requisiti dell’utenza: potenza frigorifera medio alta da 0,5 MW fino a 4 MW; disponibilità di energia elettrica

• tipologia d’utenza: edifici o compressori id media alta cubatura da 15.000 m3 in su

• vantaggi: COP elevato anche a bassi carichi, parzializzazione continua fino a circa il 10%

svantaggi: potenza limitata superiormente e inferiormente tra 0,2 e 2 MW, in caso di avaria resta inattiva l’intera macchina, costo mediamente più elevato di circa 20-30% rispetto alle macchine alternative

Impianti di potenza per la rete Gruppo frigo a compressione Energia primaria Rete elettrica Refrigerazione

Figura 2.2 Trasformazioni dell’energia primaria per la produzione di freddo con gruppi a compressione

macchine ad assorbimento

• range indicativo di potenza frigorifera: 30-6.000 kW • COP medio: 0,5-1

• grado di parzializzazione: continuo da 100% a 10%, pari al 25% per le macchine a fiamma diretta

• requisiti dell'utenza: potenza frigorifera medio alta tipicamente intorno a 0,5 MW; disponibilità di calore in eccesso ad esempio da autoproduzione di energia elettrica, scarsa disponibilità di energia elettrica

• tipologia d'utenza: comprensori ospedalieri di dimensioni piccole medie e grandi, particolari complessi industriali, centri elaborazione dati, settore alberghiero

• vantaggi: potenza frigorifera elevata, parzializzazione continua fino a circa il 10%, silenziosità, pochi organi meccanici in movimento quindi minor impegno manutentivo, bilancio gestionale favorevole rispetto alle macchine ad elettrocompressori (tenuto conto del maggior costo di installazione)

svantaggi: COP molto basso, costo elevato (il costo aumenta ad diminuire della temperatura del vettore), utilizzo giustificato solo dalla disponibilità di calore a basso costo. Impianti di potenza per la rete Impianto di cogenerazione Chiller Rete elettrica Energia primaria Energia primaria Calore Energia elettrica Refrigerazione

Figura 2.3 Trasformazioni dell’energia primaria per la produzione di freddo con gruppi ad assorbimento