ESERCITAZIONE CORSO DI COGENERAZIONE STUDIO PRELIMINARE PER LA VALUTAZIONE DI UN INTERVENTO COGENERATIVO SU UN'UTENZA CIVILE DI MODESTA ENTITA'

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1 ESERCITAZIONE CORSO DI COGENERAZIONE STUDIO PRELIMINARE PER LA VALUTAZIONE DI UN INTERVENTO COGENERATIVO SU UN'UTENZA CIVILE DI MODESTA ENTITA' 1

2 1 - Introduzione L'obiettivo di questa analisi è valutare la convenienza in termini economici ed energetici di diverse layout di impianti cogenerativi volti ad un utenza di tipo civile costituita da 86 unità abitative. L analisi si articola secondo quattro casi: Nano impianto Impianto modulare ad ampia copertura energetica Macro impianto Layout modulare ottimizzato sul numero di macchine Lo scopo è quello di confrontare diversi tipi di interventi evidenziandone gli aspetti di convenienza ambientale ed economica valutando se questi coincidono. La centrale termica è situata a Milano ad una altezza di circa 120m sul livello del mare, ed è costituita da un unità da 75 kw per la produzione ACS ed una dedicata al riscaldamento avente potenza nominale 300 kw, entrambi alimentati a gas naturale. Per stimare il carico termico necessario all utenza sono stati utilizzati i consumi semestrali di gas naturale dell'anno La variazione annuale del carico termico è stata fornita dal programma Diogene i cui risultati evidenziano un fabbisogno termico di kwh. Per stimare il carico elettrico è stato analizzato il consumo mensile di un appartamento rappresentativo ed è stato moltiplicato per il numero delle utenze e sono stati successivamente aggiunti i consumi degli ausiliari dell'impianto di riscaldamento, dei vani scale, degli ascensori e delle rimesse auto. Il fabbisogno elettrico ammonta così a kwh. Per la simulazione del programma Diogene sono stati utilizzati i seguenti dati: ORARIO FUNZIONAMENTO PREZZO GAS DEFISCALIZZATO 0,58 /Nmc CONSUMO ESTIVO COMBUSTIBILE CALDAIA mc/anno CONSUMO INVERNALE COMBUSTIBILE CALDAI mc/anno 2

3 CONSUMO ELETTRICO kwh/anno PREZZO DI ACQUISTO ELETTRICA DA RETE Fascia 1 (ore 7-19) PREZZO DI ACQUISTO ELETTRICA DA RETE Fascia 2 (ore 19-7) PREZZO DI VENDITA ELETTRICA A RETE (ipotizzato monofascia) 0,25 /kwh 0.19 /kwh 0.09 /kwh Attraverso l analisi di output sulla distribuzione annua del carico termico fornita da Diogene è emerso un andamento costante durante i mesi estivi, ed un andamento a campana per quelli invernali, con apice nel mese di febbraio. 3

4 Per l impianto cogenerativo sono state prese in considerazione le seguenti macchine presenti nella libreria del software Diogene (ipotizzando una vita utile media degli impianti di 20 anni per le turbine e di 15 anni per i motori). Capston C30 Capston C60 Turbec T100 Jenbacher J Di seguito vengono analizzati per ogni tipologia di layout, diverse configurazioni al fine di valutarne pregi e difetti. 4

5 2 - Nano impianti Questo layout è stato studiato per evidenziare i pregi ed i difetti di una configurazione atta a soddisfare il carico di base (costante tutto l anno), senza soddisfare gran parte della richiesta invernale. Nella seguente tabella sono stati riportati i risultati operativi relativi ai due impianti composti rispettivamente da una turbina Capston C30 e da una turbina Capston C60. ORE ACCENSI ONE ELETTRI CA ELETTRIC A ELETTRI CA TERMIC A CHP TERMIC A RISPARMIO COMBUSTIBI LE [kwh] MACCHI PRODOTT ACQUISTA VENDUT [kwh] CALDAI NE A TOT TA [kwh] A [kwh] A [kwh] [kwh] C Come si può notare la configurazione con C30 lavora in maniera continuativa e costante durante tutto l anno, dal momento che la potenza termica prodotta dalla stessa è inferiore al carico termico di base La configurazione con C60 invece non viene utilizzato durante buona parte del periodo estivo, in quanto il disavanzo energetico rispetto al carico termico renderebbe il suo utilizzo antieconomico. Tuttavia il carico termico fornito in cogenerazione risulta poco dissimile in quanto pur lavorando per circa la metà delle ore, la C60, fornisce una potenza nominale praticamente doppia. Considerazioni simili possono essere fatte anche, in linea di principio, per quanto riguarda l energia elettrica venduta. Si riportano le curve relative l energia termica fornita dalla caldaia ritenute significative in termini di mancata opportunità energetica cogenerativa. 5

6 CAPSTON C30 CAPSTON C60 6

7 A fronte di risultati non particolarmente eterogenei, in termini energetici, per le tipologie fin qui analizzate, da un analisi economica emerge, considerando l onere di investimento praticamente raddoppiato tra una C30 e una C60, la convenienza nella realizzazione di un impianto costituito da una sola Capston C30. La seguente tabella riporta i risultati economici, considerato un costo di investimento pari a euro per Capston C30 e euro per la C60. COSTO INVESTIMENT O [ ] CASH FLOW [ ] VAN [ ] ROI [ANNI] TIR [%] C

8 3 - Impianti modulari In questo paragrafo vengo analizzati i risultati ottenuti per diverse configurazioni d impianto accumunate da logica modulare, ossia diverse macchine di piccola media taglia, al fine di valutarne le prestazioni energetico economiche. Gli impianti ipotizzati per tale analisi sono: 1 T C C C30 1 C C30 5 C30 Seguono i dati raccolti relativi alle prestazioni energetiche: 1 C60 1 T100 1 C60 2 C60 1 C60 ORE ACCEN SIONE MACC HINE ELETTRI CA PRODOTT A TOT [kwh] ELETTRIC A ACQUISTA TA [kwh] ELETTRI CA VENDUT A [kwh] TERMIC A CHP [kwh] TERMIC A CALDAI A [kwh] RISPARMIO COMBUSTIBI LE [kwh] Risulta evidente come le prestazioni in termini di risparmio energetico non siano molto dissimili per le varie tipologie d impianto essendo tutte molto vantaggiose sia in termini di energia elettrica prodotta che di fabbisogno termico coperto, quasi integralmente, mediante tecnologia cogenerativa. Ciò è confermato anche dall andamento del grafico relativo all utilizzo della caldaia ausiliaria riportato, a titolo esemplificativo, per il solo caso dell impianto composto da 5 Capston C30. 8

9 Anche dall analisi del grafico risulta, come ci si aspettava, che la configurazione modulare è quella che comporta il minor utilizzo della caldaia ausiliaria, concretizzando al meglio il concetto stesso di cogenerazione. Di seguito vengono riportati i risultati economici 1 C60 1 T100 2 C60 2 C30 4 C30 1 C60 COSTO INVESTIMENT O [ ] CASH FLOW [ ] VAN [ ] ROI [ANNI] TIR [%] C Anche dall analisi economica risulta evidente come i risultati siano abbastanza omogenei, con un leggero vantaggio della configurazione costituita da 5 capston C30 vantaggio che, già a questo livello di analisi, potrà sicuramente essere rafforzato dalla natura del layout costituito dalla stessa macchina. Questo permetterà, in fase di acquisto, di poter usufruire di una leva contrattuale a nostro vantaggio e di poter far affidamento su servizi di manutenzione ed intervento più attenti da parte della casa produttrice della macchina stessa. 9

10 4 Macro impianti non modulari In questo paragrafo è stata studiata una configurazione di impianto avente potenza proporzionale a quella dell utenza, costituito da un'unica macchina, un motore Jembacher avente potenza nominale pari a 294 kw. I risultati energetici sono riportati nella seguente tabella J- 208 ORE ACCENSI ONE MACCHI NA ELETTRIC A PRODOTTA TOT [kwh] ELETTRICA ACQUISTAT A [kwh] ELETTRI CA VENDUT A [kwh] TERMIC A CHP [kwh] TERMICA CALDAIA [kwh] RISPARMIO COMBUSTI BILE [kwh] Da tali dati si può notare come la frazione cogenerata risulti molto inferiore a quella di impianti aventi potenza simile, ma modulari. Tale risultato appare evidente in quanto una sola macchina non è in grado di soddisfare un carico così eterogeneo durante il corso dell anno attraverso la sola regolazione di potenza, peculiarità tipica invece degli impianti modulari. Di seguito è riportato il grafico relativo all utilizzo della caldaia ausiliaria che conferma quanto appena detto 10

11 I risultati economici sono riportati nella seguente tabella COSTO INVESTIMENT O [ ] CASH FLOW [ ] VAN [ ] ROI [ANNI] TIR [%] J Anche da un analisi dei dati economici risulta evidente come, in tale configurazione, l inefficienza energetica si rifletta anche sugli aspetti economico-finanziari. Come ci si aspettava, tale layout risulta assolutamente da evitare non essendo conveniente sotto alcun aspetto. 11

12 5 Confronto layout In questo capitolo vengono analizzate nel complesso tutte le soluzioni viste fin ora, al fine di mettere in risalto le peculiarità energetiche-economiche dei vari impianti portando l attenzione sugli aspetti energetici prima ed economici dopo. In entrambi i grafici, con i nomi M1, M2, M3, M4 sono indicati gli impianti modulari, mentre con JB è stato indicato il motore Jembacker Viene dunque riportato il grafico che riassume i valori Q/Q 0, risparmio di combustibile ed energia elettrica prodotta per tutte le tipologie di impianto studiate 1,2 1 0,8 0,6 0,4 Q/Q0 Risparmio comb [Gwh] En El. Prodotta [Gwh] 0,2 0 1 C60 M1 M2 M3 M4 JB Come si può notare le soluzioni piu performanti risultano essere gli impianti modulari, seguiti dal motore Jembacher, che, nonostante una frazione cogenerata piuttosto bassa, nelle ore di funzionamento produce un quantitativo di energia elettrica tale da determinare un risparmio di combustibile abbastanza elevato. 12

13 Nel grafico seguente, invece, sono confrontati i valori di Van, Tir, e Roi (per una maggiore fruibilità grafica sono state cambiate le scale del Tir e del Van) Van Roi Tir 0 1 C60 M1 M2 M3 M4 JB -5 Da questo grafico si evince come i nano impianti siano siano sicuramente piu competitivi rispetto agli impianti modulari e soprattutto rispetto alla singola macchina Jembacher Concludendo La configurazione costituita da 5 capston C30 risulta ottimale in termini energetici grazie alla sua totale modularità che garantisce una copertura pressoché totale dell esigenza termica da parte dell utenza. In termini economici, di rendimento dell investimento, e di tempi di, la soluzione migliore risulta invece quella di un unica Capston C30 la quale, a fronte di un ridotto investimento iniziale e di una operatività continua, rende l investimento finanziariamente molto interessante. Risulta pertanto evidente come le configurazioni ottimali non coincidano in termini energetici ed economici, e come un sistema di incentivi basato sulla sola vendita di energia non sia in grado di rendere economicamente più appetibile un layout effettivamente migliore dal punto di vista energetico realizzato con l obbiettivo ultimo di cogenerare energia. Segue un ultimo capitolo che ha lo scopo di trovare un giusto compromesso tra queste ultime configurazioni entrambi ottimali ma su fronti diversi. A tale scopo sono state eseguite una serie di simulazioni costituite tutte da Capston C30 differenziate tra loro dal numero di macchine impiegate comprese in un range che va da 1 a 5 capston C30. 13

14 6 Layout modulare ottimizzato sul numero di macchine Come già accennato seguono una serie di simulazioni col fine di individuare l ottimo in termini energetici-economici. 1 CAPSTON C30 2 CAPSTON C30 3 CAPSTON C30 4 CAPSTON C30 5 CAPSTON C30 Vengono riportati i dati energetici in tabella introducendo un ulteriore parametro finora non considerato, al fine di evitare una ridondanza di dati, ma che torna comodo per l analisi che segue. Si definisce Ф il rapporto tra energia termica totale prodotta mediante cogenerazione ed energia termica totale necessaria all utenza sull intero anno. ORE ACCEN SIONE MACC HINE ELETTRI CA PRODOTT A TOT [kwh] Ф= Q/Qo [%] ELETTRIC A ACQUISTA TA [kwh] ELETTRI CA VENDUT A [kwh] TERMIC A CHP [kwh] TERMIC A CALDAI A [kwh] Ф [%]

15 Segue la tabella che riassume i dati economici COSTO INVESTIMENT O [ ] CASH FLOW [ ] VAN [ ] ROI [ANNI] TIR [%] C C C C Al fine del confronto sono stati analizzati VAN, ROI, TIR e Ф spalmando i dati su una scala da 0 a 100, attribuendo per ogni indice un valore pari a 100 alla soluzione impiantistica migliore e 0 a quella peggiore. In questo modo è stato possibile confrontare tra loro gli indici di diversa natura. Analisi indici VAN ROI TIR Q/Q riportati in un'unica scala percentuale N C30 VAN ROI TIR 1 0, , , , ,5 0, , ,25 0,

16 I dati vengono riportati quindi in un grafico caratterizzato da un unica scala percentuale. Dal grafico risulta evidente come l indice maggiormente influenzato da un aumento del numero di macchine risulta il TIR secondo il quale il giusto compromesso si avrebbe con due Capston C30. Considerazioni più generose in termini energetici vengono invece suggerite da un approccio di confronto con indici quali VAN e ROI attraverso i quali viene consigliato un impianto costituito da tre Capston C30. Concludendo, a fronte di uno scenario politico-economico incerto e da definirsi, si preferisce una configurazione che fornisca più garanzie in termini economicifinanziari come quella costituita da 2 Capston C30 la quale presenta anche un picco nell andamento del VAN ( euro ) ed un ROI di 4 anni. 16

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