CAPITOLO 9 COGENERAZIONE

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1 CAITOLO 9 COGENERAZIONE 9.1. Introduzione er cogenerazione si intende la produzione combinata di elettricità e di calore, entrambi intesi come effetti utili. Essa trova ampio spazio sia in ambito civile che industriale. Quando l utenza termica è rappresentata da edifici come ospedali, piscine, abitazioni si parla di teleriscaldamento: una rete di distribuzione di acqua calda sostituisce le caldaie domestiche, con benefici non trascurabili sia in termini di efficienza termodinamica che di riduzione delle emissioni. Ai tanti punti di emissione coincidenti con le singole caldaie si sostituisce infatti un unico punto di emissione, generalmente decentralizzato rispetto ai centri urbani, a tutto vantaggio della qualità dell aria. Decisamente più diffusa è la cogenerazione di tipo industriale. In questo caso il calore generato nell impianto viene inviato ad un industria che ne richiede l utilizzo nel proprio processo produttivo. Un esempio classico è quello delle cartiere e del comparto tessile, dove a grandi quantitativi di energia elettrica si affiancano elevati consumi di calore di processo. Nel caso delle cartiere, ma lo stesso può dirsi per moltissime altre applicazioni industriali (comparto tessile, chimico, agro-alimentare per citarne alcuni), il mezzo vettore di calore è il vapore. Nell impianto di cogenerazione quindi, oltre alla produzione di energia elettrica, verrà prodotto vapore nelle condizioni di pressione richieste dall utilizzatore. Tale vapore viene inviato all impianto utilizzatore (ad esempio la cartiera) dove cede il proprio calore di condensazione nel processo industriale; dal ciclo produttivo la condensa torna quindi all impianto cogenerativo, tipicamente in fase liquida a bassa temperatura e pressione atmosferica; a volte si verificano perdite di portata. Va sottolineato come, in un applicazione industriale, ciò che conta, dal punto di vista dell utilizzatore, non è la temperatura a cui viene fornito il vapore, quanto la sua pressione. E infatti il calore di condensazione del vapore ciò che viene utilizzato nel processo produttivo, non certo il calore che sarebbe possibile scambiare in fase di vapore surriscaldato Indici di valutazione A differenza di un impianto convenzionale per la sola produzione di energia elettrica, in un impianto cogenerativo i beni prodotti sono due: all energia elettrica si aggiunge la potenza termica che, a seconda dell applicazione, andrà ad essere convertita in riscaldamento o in calore di processo. Nasce quindi l esigenza di andare a definire degli opportuni indici di valutazione, essendo i due beni prodotti, energia elettrica e calore di processo, ben diversi. In un impianto di cogenerazione sono tre i flussi energetici più importanti: - la potenza termica sviluppata dal combustibile ch - la potenza elettrica netta generata el - la potenza termica utile Con le grandezze indicate si definiscono dei rendimenti, indicati come rendimento elettrico el e rendimento termico : el (9.1) ch 9.1

2 (9.2) Si ricorda che, a rigori, la definizione di rendimento è applicabile solo ed esclusivamente ad un ciclo chiuso, in cui l effetto utile è univocamente determinato. La definizione di rendimento di un sistema cogenerativo non è univoca dato che i due effetti utili, calore ed elettricità, hanno un valore termodinamico ben diverso e possono essere pesati in modo diverso; è allora opportuno introdurre opportuni parametri che consentano una valutazione corretta della bontà dell impianto. Una prima possibilità consiste nel definire un rendimento di primo principio I, che attribuisce la stessa importanza (e cioè lo stesso peso) alla potenza termica ed elettrica: + I el + (9.3) Tale rendimento è da intendersi più propriamente come un indice di utilizzo del combustibile e può assumere valori molto alti, anche dell ordine di E ovvio infatti che potenza termica ed elettrica non hanno lo stesso valore: mentre infatti la definizione del valore della potenza elettrica è chiara e assoluta, quella della potenza termica dipende dal livello termico a cui questa è resa disponibile. Un conto infatti è avere 10 MW di potenza termica a 1500 C, un altro è avere gli stessi 10 MW a 80 C. Nel tentativo di superare questo inconveniente, è stato introdotto il rendimento di secondo principio II, in cui la potenza termica viene trasformata nel suo equivalente meccanico: T II el + Carnot (9.4) T L espressione contenuta fra le parentesi tonde esprime il rendimento di Carnot di un ciclo operante fra T, temperatura media a cui è reso disponibile il calore, e T 0, temperatura di riferimento, generalmente assunta pari a 25 C. Tale rendimento viene scelto come peso per la potenza termica. Il prodotto tra rendimento di Carnot e potenza termica non è altro che il lavoro massimo che può essere ottenuto da un ciclo termodinamico ideale che evolvesse tra T e T 0. Questa formulazione del rendimento, seppur corretta dal punto di vista termodinamico, sottovaluta il valore del calore prodotto dal ciclo, confrontandolo con qualcosa di irrealizzabile, il ciclo di Carnot. Uno svantaggio di entrambe queste definizioni di rendimento stà poi nel fatto che non forniscono indicazioni in merito alla convenienza della cogenerazione al confronto con i processi tradizionali di produzione separata di calore e di elettricità. A tal proposito, è indispensabile confrontare i consumi energetici dell impianto cogenerativo con quelli che si avrebbero producendo separatamente i due beni. Sia ch,ce la potenza chimica del combustibile necessaria a produrre la potenza elettrica el in una centrale convenzionale caratterizzata da un rendimento CE : CE (9.5) ch, CE e ch,c la potenza chimica del combustibile necessaria a produrre la potenza termica in una caldaia convenzionale caratterizzata da un rendimento C : C (9.6) ch, C E possibile individuare un indice di risparmio energetico (IRE) pari a: IRE 1 1 (9.7) ch CE C el, +, + CE C L indice di risparmio energetico è il parametro di più larga diffusione per la valutazione della convenienza energetica della cogenerazione. er un suo pratico utilizzo, è necessario stabilire i 9.2

3 valori di riferimento dei rendimenti di centrale CE e di caldaia C. E possibile utilizzare due approcci: il primo si basa sull utilizzo dei rendimenti medi di esercizio relativi ad un parco di centrali e di caldaie assunte come riferimento, mentre il secondo usa i valori massimi conseguibili con la migliore tecnologia ad oggi disponibile. Quest ultima è la soluzione seguita nel decreto ministeriale CI6/92, decreto che regolava la cessione dei permessi per la realizzazione di impianti cogenerativi sul territorio nazionale e i prezzi di vendita dell energia elettrica auto-prodotta negli impianti cogenerativi ed immessa sulla rete elettrica nazionale. Un altro indice abbastanza diffuso è il consumo specifico addebitabile all energia elettrica prodotta C sp :, C C Csp (9.8) La definizione del consumo specifico parte dall assunto che la potenza termica debba comunque essere prodotta, per garantire la produzione industriale (o il teleriscaldamento). Esso non è altro che l inverso di un rendimento elettrico, in cui la quota di combustibile addebitata alla produzione di energia elettrica (che compare al numeratore del consumo specifico) viene calcolata andando a sottrarre dal consumo complessivo di combustibile la quota parte che comunque sarebbe stato necessario consumare per produrre la potenza termica. E pratica comune fornire i valori del consumo specifico utilizzando unità di misura differenti per la potenza chimica e per quella elettrica. Se infatti si esprime la potenza chimica in termini di kcal/h e quella elettrica di kw, la relazione (9.8) diventa: C kcal Csp 860 (9.9) el kwh Questo parametro nella sostanza dice quante kcal di combustibile è necessario bruciare per produrre 1 kwh. Tale consumo specifico è utilizzato nella pratica per calcolare il costo del kwh autoprodotto. Se si pensa infatti che, al di là dei costi di investimento, la voce dominante dei costi di esercizio di un impianto è la voce relativa al consumo di combustibile, il costo del kwh potrà essere stimato come il prodotto tra il consumo specifico così come calcolato dalla (9.9) e il costo del combustibile, diviso il suo potere calorifico inferiore: C Costo Costo sp combustibile KWh CI (9.10) Sarà allora conveniente produrre energia elettrica e potenza termica in modo combinato se il costo del kwh auto-prodotto sarà inferiore al costo di mercato. Tale confronto sarà inoltre fondamentale nella gestione dell impianto, in quanto permetterà di massimizzarne la resa economica. Infatti, il produttore potrà decidere se utilizzare internamente all industria l energia elettrica auto-prodotta o, se il prezzo sarà conveniente, immetterla in rete al prezzo di mercato. Un ultimo parametro utile nella classificazione delle diverse tipologie di impianti cogenerativi è l indice elettrico I el : I el (9.11) Esso non è altro che il rapporto tra potenza elettrica e potenza termica Configurazioni impiantistiche er produrre in maniera combinata energia elettrica a calore di processo, esistono tante possibili soluzioni, che vanno dal ciclo Rankine, all uso di turbine a gas e di impianti in ciclo combinato, fino all applicazione di motori a combustione interna alimentati a gas. La scelta di una soluzione 9.3

4 piuttosto di un altra dipende da diversi fattori, tra cui fondamentale è la taglia dell impianto e il regime dei consumi, vale a dire l andamento nel tempo dei consumi elettrici e termici dell impianto industriale utilizzatore, così come il rapporto tra i due beni. Il confronto tra le diverse soluzioni possibili viene poi condotto effettuando un analisi tecnico-economica delle diverse configurazioni impiantistiche prospettate, in cui il valore assunto dal consumo specifico addebitabile all energia elettrica risulta il parametro di confronto; sulla base della differenza dei costi annuali e del costo di investimento si valuterà il tempo di pay-back dell investimento. Analizziamo più nel dettaglio le diverse tipologie di impianti cogenerativi di maggior diffusione. La soluzione più semplice consiste nel realizzare un ciclo Rankine in cui l espansione del vapore in turbina venga arrestata e/o interrotta alle condizioni imposte dall utenza termica. Due sono le configurazioni impiantistiche compatibili con questa necessità: l impianto a contropressione e l impianto a contropressione con coda a condensazione. Figura 9.1: ciclo a vapore a contropressione Impianti a vapore a contropressione Nella configurazione in contropressione, il vapore viene prodotto ad alta pressione (40 90 bar) e ad alta temperatura ( C) in un generatore di vapore convenzionale e fatto espandere in turbina prima di essere inviato all utenza termica a pressioni di 3 10 bar. Una piccola frazione del vapore in uscita dalla turbina viene convogliata al degasatore per preriscaldare l acqua di alimento (figura 9.1). Le condense rientrano quindi nell impianto a vapore, vengono opportunamente integrate per compensare eventuali perdite di portata subite presso l utenza termica, e quindi rientrano in circolo a livello del degasatore. Si vede immediatamente come l utenza termica assolva, dal punto di vista dell impianto di potenza, la funzione di condensatore, condensatore che quindi non è più presente, eliminando tutta la parte di bassa pressione tipica degli impianti a vapore per la sola produzione di energia elettrica. Questo vantaggio viene in parte pagato dal fatto che la turbina si vede ridurre il salto di pressione a propria disposizione, risultandone un calo di potenza erogata all alternatore. Il principale difetto dello schema a contropressione è però quello di vincolare rigidamente la produzione di elettricità a quella di calore (l indice elettrico I el è costante e tipicamente inferiore a 0.18): ciò significa che, se si verifica un aumento della richiesta di energia elettrica non seguita da un analoga crescita della portata di vapore necessaria all utenza, si è obbligati a sfiatare in atmosfera il vapore prodotto in più. Trattandosi di un operazione poco attraente dal punto di vista 9.4

5 energetico, non viene praticamente mai attuata. L impiego dell impianto a vapore a contropressione è consigliato in applicazioni in cui la domanda di potenza elettrica è limitata ed è in rapporto costante rispetto a quella termica. Questa soluzione impiantistica è quella che fornisce i consumi specifici minori in assoluto. Figura 9.2: ciclo a condensazione e spillamento Impianti a vapore a contropressione con coda a condensazione Al fine di svincolare la produzione di vapore dalle esigenze dell utenza termica, e quindi realizzare un impianto in cui sia possibile variare in modo indipendente potenza elettrica e potenza termica, si può modificare lo schema precedente aggiungendo una turbina di bassa pressione con relativo condensatore (figura 9.2). La domanda dell utenza viene soddisfatta spillando vapore in uscita dalla prima turbina, alla pressione alla quale il calore è richiesto. Eventuali variazioni della domanda comportano la variazione della portata di vapore spillato mediante valvola regolatrice: la restante portata di vapore espande fino al condensatore. In questo modo il vapore che eccede la richiesta termica viene comunque utilizzato per produrre elettricità. Nel caso in cui la richiesta termica sia nulla, tutta la portata di vapore entra nella sezione di bassa pressione, come in un ciclo convenzionale a condensazione, mentre, nel caso in cui la richiesta termica sia massima, tutto il vapore viene convogliato all utenza, come in un ciclo a contropressione. In realtà, una piccola frazione di vapore (10%) deve comunque attraversare la sezione di bassa pressione per garantire il corretto funzionamento della turbina. Una configurazione di questo tipo è sicuramente più complessa rispetto al caso precedente, il che si riflette su valori del consumo specifico decisamente maggiori. Va inoltre notato come la sezione di bassa pressione dell impianto debba comunque essere dimensionata sull intera portata, anche se per gran parte del tempo lavorerà in regime parziale. 9.5

6 Cicli combinati Chiarita la logica di funzionamento di un ciclo a vapore per applicazioni cogenerative, è facile comprendere come questa possa essere sfruttata per realizzare cicli combinati in cui la sezione di recupero termico, alimentata dai gas di scarico della turbina a gas, produca non soltanto elettricità ma anche calore. Il ciclo combinato può essere esercito come impianto cogenerativo qualora sia presente un prelievo regolato di vapore, laddove esso sia disponibile alla pressione richiesta dall utenza. E poi possibile combinare il ciclo a gas con entrambe le configurazioni di ciclo a vapore viste in precedenza, realizzando, a seconda dei casi cicli combinati con turbina a contropressione, o cicli combinati con turbina a vapore a condensazione e spillamento (figura 9.3). La seconda soluzione, molto più diffusa in virtù della sua flessibilità, consente di produrre elettricità con alti rendimenti (>50%), anche nei periodi in cui la richiesta termica è scarsa o nulla. Tali impianti sono in generale di taglia medio-grande e possono produrre più di 100 MW di potenza elettrica. Figura 9.3: impianto di cogenerazione a ciclo combinato Turbine a gas con recupero semplice Nel caso in cui le potenze in gioco non giustifichino l adozione di impianti costosi e complessi come quelli sopra descritti, si può realizzare la cogenerazione in una turbina a gas con recupero semplice (figura 9.4). La taglia della turbina a gas è fissata in base alla domanda di energia elettrica mentre la richiesta termica influenza la temperatura dei fumi al camino. Il recupero termico è indipendente dalla generazione di potenza, infatti non altera le prestazioni elettriche della turbina a gas, se non per le modeste perdite di carico dei gas nella caldaia a recupero. La caratteristica più importante di questo tipo di impianto è proprio la capacità di disaccoppiare la produzione elettrica da quella termica, dato che il funzionamento della turbina a gas non risente minimamente della pressione alla quale viene prodotto il vapore. er seguire le variazioni della richiesta dell utente sono previsti due dispositivi dalle opposte finalità: 9.6

7 - il sistema di by-pass, per dissipare calore; - il sistema di post-combustione, per aumentare il calore disponibile. Il primo sistema interviene qualora non sia richiesta potenza termica, mandando direttamente i fumi al camino. Il secondo sistema interviene invece tutte le volte che la richiesta di potenza termica supera la massima produzione consentita dalla caldaia a recupero. Figura 9.4: impianto di cogenerazione con turbina a gas a recupero semplice Motori a gas Anche i motori a combustione interna sono adatti alla cogenerazione. In queste applicazioni i motori vengono alimentati a gas naturale. E possibile recuperare calore sia dai gas di scarico, a temperature comprese fra 400 e 420 C, che dall acqua del circuito di raffreddamento che raggiunge i 90 C. Si tratta di una soluzione confacente alle taglie piccole e media ( el 3000 kw) Conclusioni Al termine della rassegna delle configurazioni impiantistiche con cui si realizza la cogenerazione, è utile presentare un criterio che consenta di scegliere la soluzione migliore per soddisfare la richiesta di calore ed elettricità. Tale criterio si fonda sull indice elettrico, ossia sul rapporto fra la potenza elettrica e quella termica. La Tabella 9.1 riassume i range tipici dell indice elettrico per le diverse configurazioni d impianto analizzate. I el < 0,15-0,20 Impianto a vapore a contropressione I el < 0,5-0,7 Turbina a gas con recupero semplice e post-combustione I el < 0,6-0,9 Turbina a gas con recupero semplice senza post-combustione 0,6 < I el < 1,4 Ciclo combinato con turbina a contropressione I el > 1,2-1,4 Ciclo combinato con turbina a vapore a condensazione I el > 0,8 e ridotta potenza Motori a gas elettrica Tabella 9.1: Valori tipici dell Indice elettrico per i diversi tipi di impianto cogenerativo. 9.7