Impianto di cogenerazione realizzato presso una azienda del settore ceramico della provincia di Modena (Emilia-Romagna, Italia)

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1 OPET SEED (Italia) Impianto di realizzato presso una azienda del settore ceramico della provincia di Modena (Emilia-Romagna, Italia) ENERGIE Introduzione L impianto di in esame è installato presso un azienda appartenente al settore ceramico ed è stato realizzato da Benelli Ravenna per l auto-produzione di energia elettrica con recupero di calore. L impianto può funzionare sia in parallelo alla rete ENEL che in rete isolata. Il gruppo di è composto con un motore endotermico a 4 tempi turbocompresso, alimentato a gas metano di realizzazione CATERPILLAR modello 3512 SI-TA, accoppiato ad un alternatore sincrono trifase della potenza elettrica di 770 kw e. Descrizione dell impianto L impianto è costituito da un sistema di produzione di energia elettrica e recupero di calore. I principali componenti dell impianto sono: Gruppo di generazione, con motore endotermico alimentato a gas metano per la produzione di energia elettrica in parallelo rete o in isola ; Sistema di recupero del calore dai gas di scarico e dall acqua di raffreddamento camice ed olio del motore endotermico; Sistema elettro-strumentale di controllo e comando, nonché di misura dell energia elettrica prodotta. In dettaglio, l impianto esaminato è costituito da i seguenti gruppi: i) 1 gruppo di con motore ciclo Otto a 4 tempi turbocompresso, alimentato a gas metano, di costruzione CATERPILLAR, modello 3512 SI-TA, accoppiato ad un alternatore sincrono trifase della potenza elettrica di 770 kw, con rendimento elettrico pari al 37,2 % (±5%). Il gruppo è completo dei circuiti di raffreddamento ad acqua per motore ed aftercooler. ii) sistema di recupero termico con utilizzo di aria calda ottenuta dal radiatore di raffreddamento motore e dallo scambiatore dei gas di scarico della combustione. L impianto è completato da dispositivi e gruppi specifici quali impianti per ventilazione, filtrazione, insonorizzazione e sicurezza, oltre al sistema elettro-strumentale comprendente trasformatore, quadri di interfaccia e comando/controllo. Tali dispositivi, incluse le protezioni automatiche, permettono al gruppo di di integrarsi elettricamente all interno dello stabilimento, nonché di garantirne il corretto funzionamento, in parallelo rete o in rete isolata. Caso di studio 1

2 Scheda riepilogativa del gruppo motore (con prestazioni al 100% del carico elettrico massimo) Costruttore CATERPILLAR Modello Tipo di motore Combustibile utilizzato Potenza termica immessa con il combustibile (gas naturale con Potere Calorifico Inferiore 8250 kcal/sm 3 ) [kw] 2069 Potenza meccanica massima continua (PMC) [kw t ] SI-TA 4 tempi turbocompresso con aftercooler Gas metano PCI 8250 kcal/sm 3 Potenza elettrica massima continua ai morsetti dell'alternatore [kw e ] 770 a cosϕ=0,8 Potenza elettrica al netto del consumo degli ausiliari [kw e ] 700 Rendimento meccanico % 38,81 % Rendimento elettrico % 37,2 % (+5%) Potenza termica utilizzabile, di cui: olio lubrificante e acqua raffreddamento motore gas di scarico (rispetto a 15 C) Numero di cilindri [kw] [kw] a V Consumo specifico di energia (PMC) [g/kwh] % Consumo specifico di olio lubrificante (PMC) [g/kwh] 0,8 La potenza erogata dal gruppo durante l esercizio, viene modulata variando con continu 100% al 50% mediante un sistema di controllo. L impianto funziona sia in parallelo alla rete che in rete isolata, in accordo alle prescrizioni ENEL. In regime di parallelo con la rete ENEL il sistema di controllo consente la produzione della massima potenza erogabile dal gruppo, e garantisce, in caso di picchi di assorbimento, il prelievo della potenza mancante dalla rete. Qualora invece la potenza consumata dalle utenze sia inferiore a quella fornita dal gruppo, si avrà un flusso di energia verso la rete ENEL. Entrambi i flussi di energia sono contabilizzati da appositi contatori. In condizione di regime il funzionamento dell impianto è di parallelo con la rete ENEL. Durante il funzionamento in rete isolata, il gruppo eroga la potenza richiesta dalle utenze privilegiate; per ovviare al problema di assorbimenti di picco superiori ai limiti del gruppo elettrogeno, viene attivato un sistema di alleggerimento carichi che provvede al distacco di una o più utenze particolarmente gravose al momento del passaggio da funzionamento in parallelo rete a quello in isola. Utilizzo dell energia elettrica e termica cogenerata ed utenze servite Energia elettrica L energia elettrica prodotta dalla (pari a 700 kw e al netto degli ausiliari) viene interamente assorbita all interno dello stabilimento ceramico. Energia termica L energia termica recuperata è utilizzata a servizio dei processi produttivi e dei reparti di seguito indicati: - mulini di macinazione a secco; - deposito materiale lapillo ; - forno cottura piastrelle; - riscaldamento edifici/ambienti di lavoro nella zona di scelta. Caso di studio 2

3 L energia termica disponibile è costituita da: 1- Aria calda prodotta dal raffreddamento radiatore dell acqua motore: viene inviata al reparto mulini di macinazione per migliorare la produttività e ridurre l umidità delle terre. 2- Aria a C, prodotta dal recupero termico sui gas di scarico: viene utilizzata nel forno come aria comburente, nel riscaldamento edifici e/o come reintegro in portata e temperatura per il flusso d aria inviato al mulino. I valori di portata e di temperatura dei due vettori termici variano a seconda delle esigenze di produzione del mulino e del forno dipendendo anche dalle caratteristiche ambientali delle terre da macinare (temperatura ed umidità). Aria calda Aria C Potenza termica recuperata [kw t ] Portata massima [m 3 /h] 46000/ /8000 Temperatura massima [ C] 60/90 220/240 Fattore di utilizzo [%] 80% 80% La convenienza economica dell impianto I consumi elettrici dell azienda prima della realizzazione dell impianto di suddivisi per fasce orarie sono riassunti nei diagrammi seguenti (anno di riferimento: 1997/98); i consumi mensili sono costanti nel corso dell anno ad eccezione dei mesi nei quali sono previsti giorni di chiusura dello stabilimento per ferie. CONSUMI PER FASCE ELETTRICHE KWH/ANNO F 1 F 2 F 3 F 4 FASCE ELETTRICHE ANDAMENTO CONSUMI ELETTRICI MENSILI KWH/MESE G F M A M G L A S O N D MESE Caso di studio 3

4 Nella tabella seguente sono riepilogati i consumi energetici annuali precedenti la realizzazione dell impianto di e i relativi costi. Consumi annuali Costo unitario Costo complessivo annuale Consumi elettrici kwh 146 /kwh Consumi termici / Totale costi energetici La convenienza economica dell impianto di è stata valutata prevedendo 3 condizioni di esercizio. L opzione più adatta alla tipologia di consumi dell azienda prevede che l impianto sia in funzione per 24 ore al giorno dal lunedì al venerdì, per un totale di ore/anno escludendo i giorni di chiusura per ferie. Con tale condizione di esercizio il risparmio annuo è pari a circa 320 milioni di lire. L impianto ha un costo pari a circa , il tempo di rientro dell investimento è inferiore a 4 anni. A seguito della realizzazione dell impianto di la quantità di energia elettrica acquistata sul mercato si riduce sensibilmente. In dettaglio, si hanno i seguenti costi, comprensivi del costo dell energia consumata e della potenza elettrica impegnata. Acquisti annuali energia Costo complessivo annuale Consumi elettrici [kwh] Consumi termici [] Manutenzione impianto di Totale costi energetici Il bilancio di energia elettrica (espressa in kwh) per le varie fasce orarie a seguito della realizzazione dell impianto di è schematizzato nella tabella seguente. Consumi energia elettrica azienda Energia prodotta dall impianto di Energia ceduta a ENEL Energia acquistata da ENEL F F F F kwh Relativamente all energia termica, viene mantenuto il contratto esistente precedentemente alla realizzazione dell impianto di che prevede la fornitura di gas metano di tipo industriale con fornitura continua ad alta utilizzazione. Periodo Consumi metano precedenti Consumi metano con impianto di Invernale Estivo Totale Differenza Caso di studio 4

5 Emissioni e impatto ambientale Le emissioni di inquinanti significative ai sensi del D.P.R. 203/88 e del D.M. 12/07/90, sono costituite dalle seguenti sostanze contenute nei gas di scarico: Ossidi di azoto NOx Monossido di carbonio CO Nella tabella seguente sono indicati i dati relativi alle emissioni atmosferiche con il sistema di abbattimento catalitico installato. Portata gas di scarico kg/h 4457 m 3 /h effettivi 9738 Nm 3 /h 3445 Temperatura gas di scarico C 496 Densità gas di scarico kg/m 3 0,458 Emissioni gas di scarico con 5% vol. di O 2 nei gas: monossido di carbonio CO mg/nm kg/h 1,03 ossidi di azoto NO x mg/nm kg/h 1,72 La combustione di gas metano produce fumi esenti da particolato. L impianto di in oggetto è alimentato a gas naturale con potenza termica immessa inferiore a 3 MW; è pertanto considerato ad inquinamento atmosferico poco significativo ai sensi del DPR 25 luglio Il livello di emissione degli NO x è mantenuto conforme alle normative vigenti (<500 mg/nm 3 ) mediante il sistema di gestione della combustione del motore: regolazione elettronica continua del rapporto aria/combustibile per ottenere miscele di combustione magre ai vari regimi di carico del motore; iniezione elettronica; progettazione avanzata delle camere di combustione e dei sistemi di alimentazione e scarico dei cilindri mediante 4 valvole per cilindro. Le emissioni di CO sono ridotte a concentrazione inferiore a 300 mg/nm 3 mediante intervento del catalizzatore ossidante posto sui gas di scarico caldi all uscita del turbocompressore. Il catalizzatore non effettua abbattimento degli NO x in quanto già ridotti dal sistema di carburazione del motore come descritto sopra. Nel piano di manutenzione programmata del gruppo di è inserito anche il controllo periodico del grado di imbrattamento del catalizzatore e la verifica dell efficienza di abbattimento degli elementi catalitici. Per ulteriori informazioni: Ing. Massimo Farina Benelli Ravenna Via di Vittorio, Ravenna Tel Fax massimo.farina@benelliravenna.com Caso di studio 5