RELAZIONE GENERALE ILLUSTRATIVA

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2 REALIZZAZIONE DI UN IMPIANTI PILOTA A TECNOLOGIA SOLARE TERMODINAMICA A CONCENTRAZIONE DA 600 KW ELETTRICI A SERVIZIO DEL SISTEMA DI TRATTAMENTO E SMALTIMENTO RIFIUTI UBICATO NELLA ZONA INDUSTRIALE DI VILLACIDRO. C.U.P: D16F C.I.G. PROGETTO PRELIMINARE RELAZIONE GENERALE ILLUSTRATIVA Villacidro, febbraio 2014

3 Sommario 1. FINALITA DELL INTERVENTO SOLUZIONI PROGETTUALI ANALIZZATE E SCELTE PROGETTUALI CARATTERISTICHE DELLE OPERE E DEGLI IMPIANTI ESISTENTI Configurazione impiantistica attuale Proposta di integrazione DESCRIZIONE DETTAGLIATA DELLA SOLUZIONE PROPOSTA Impianto solare termodinamico Campo solare Sezione di potenza Sezione di accumulo termico a termoclino Sezione di accumulo elettrochimico e configurazione della micro rete Sistema di controllo FATTIBILITA DELL INTERVENTO RELAZIONE TECNICA IMPIANTO TERMODINAMICO E DIMENSIONAMENTO RELAZIONE TECNICA SULLA SPERIMENTAZIONE REQUISITI DEL SISTEMA DI SUPERVISIONE E CONTROLLO DIMENSIONAMENTO DELL ACCUMULO ELETTROCHIMICO RELAZIONE ELETTROTECNOLOGICI E AUTOMAZIONE RELAZIONE SISTEMI E PRESIDI ANTINCENDIO OPERE CIVILI ACQUISIZIONE DELLE AREE MODALITA D APPALTO PIANO SICUREZZA E COORDINAMENTO PRIME INDICAZIONI TEMPI DI ESECUZIONE QUADRO ECONOMICO RELAZIONE GENERALE ILLUSTRATIVA 2

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5 1. FINALITA DELL INTERVENTO Il progetto si inquadra nell ambito degli interventi previsti dal POR FESR , Asse III, Energia, e dalle delibere della Giunta Regionale n. 32/29 del e 23/14 del In accordo con tali delibere, la Giunta Regionale ha espresso la volontà di realizzare un progetto sperimentale articolato in una serie coordinata di tre impianti pilota distribuiti geograficamente nel territorio regionale. Gli impianti sono finalizzati alla sperimentazione e alla diffusione di modelli di produzione dell energia per applicazioni innovative, specializzati per ambito applicativo e contesto socio-economico, ma caratterizzati da una pianificazione, coordinamento, gestione, analisi tecnica ed economica, modellizzazione e monitoraggio unitari. L obbiettivo dell interevento consiste, quindi, nella sperimentazione e diffusione di modelli innovativi di produzione energetica, basati sull integrazione fra la tecnologia del solare termodinamico a concentrazione e altre fonti di energia rinnovabili e sullo sviluppo di sistemi integrati di produzione e di accumulo di energia termica, chimica ed elettrica. In particolare, questo progetto si inquadra nell ambito degli interventi da realizzarsi in contesti industriali e, secondo quanto riportato nella delibera n. 23/14 del , consiste nella realizzazione di un impianto pilota di medie o piccole dimensioni per la produzione di energia termica ad alta temperatura e la relativa rete di distribuzione. In questo contesto, il Consorzio Industriale Provinciale del Medio Campidano-Villacidro, in associazione con il Comune di Villacidro, è risultato secondo in graduatoria (Determinazione del Direttore del Servizio Energia prot. n rep. 526 del ) tra le istanze ammissibili presentate a seguito dell Avviso pubblico per la presentazione di manifestazioni di interesse da parte di Consorzi Industriali e/o Comuni della Sardegna, a realizzare e gestire uno o due impianti a tecnologia solare termodinamica a concentrazione (Determinazione del Direttore del Servizio Energia prot. n. 386 rep. 99 del ). Il Consorzio è stato poi nominato beneficiario a seguito della determina di scorrimento della suddetta graduatoria (Determinazione del Direttore del Servizio Energia prot. n 3655 rep. 68 del ). L avviso pubblico sopra citato prevedeva una premialità, tra le altre, per il livello d integrazione dell intervento con processi attualmente esistenti, con benefici ambientali ed economici. Secondo quanto previsto nella delibera n. 23/14 del , Sardegna Ricerche ha il ruolo fornire supporto tecnico e scientifico per la pianificazione e la progettazione dell intervento e per la successiva attività di sperimentazione, avvalendosi del proprio personale e della collaborazione con l Università di Cagliari. La manifestazione di interesse presentata dal Consorzio proponeva l integrazione dell impianto solare termodinamico con gli impianti esistenti, al fine di abbattere i costi per l energia elettrica e termica e, conseguentemente, ridurre le tariffe applicate ai Comuni per lo smaltimento dei rifiuti. Il Consorzio ha evidenziato che gli impianti esistenti sono già dotati di sistemi di cogenerazione per il recupero del calore e ha sottolineato che l energia termica in esubero dall impianto integrato potrebbe essere utilizzata per alimentare ulteriori sezioni dell impianto, attualmente in fase di progettazione. I proventi derivanti invece dalla produzione di energia elettrica saranno usati per il 20% per finanziare interventi di efficienza energetica, per il 20% per soddisfare il fabbisogno del Consorzio per l illuminazione pubblica dello stesso, e il restante 60% per abbattere i costi energetici per il trattamento dei rifiuti e ridurre le attuali tariffe applicate ai Comuni del 4-5%. A seguito di una approfondita analisi della situazione esistente, la possibilità di integrazione termica tra l impianto solare termodinamico e gli impianti esistenti è stata esclusa, in quanto l energia termica recuperata dalle unità di cogenerazione, ciascuna di potenza pari a 1MWe, è ampiamente sufficiente per il soddisfacimento del fabbisogno termico dei diversi impianti e della rete interna di teleriscaldamento per la fornitura di energia termica al digestore anaerobico. Tuttavia, le analisi energetiche preliminari hanno mostrato che il particolare contesto impiantistico del Consorzio Industriale del Medio Campidano offre la possibilità di realizzare un integrazione di tipo elettrico tra diverse fonti energetiche rinnovabili, permettendo la sperimentazione di nuovi modelli di gestione energetica elettrica e della gestione e controllo di sistemi avanzati e integrati di stoccaggio elettrico e termico. L obiettivo finale dell intervento in progetto, per il quale la RAS ha già espresso un parere positivo di coerenza con i propri obiettivi e con le linee di indirizzo del bando, è quello di utilizzare i sistemi energetici esistenti, RELAZIONE GENERALE ILLUSTRATIVA 4

6 insieme all impianto solare termodinamico e ai sistemi di accumulo termico, chimico ed elettrochimico, per realizzare una micro rete elettrica intelligente sperimentale. Il principale vincolo per la definizione dell idea progettuale consiste nel fatto che gli interventi in oggetto saranno integrati con un impianto per il trattamento dei rifiuti solidi urbani che svolge un ruolo importante nel ciclo regionale dello smaltimento dei rifiuti e al quale deve essere garantita la possibilità di esercizio continuo e affidabile. Pertanto, da un punto di vista operativo il nuovo impianto non dovrà interferire in modo significativo con i processi esistenti né in fase di realizzazione, né in fase di esercizio. L idea proposta inoltre tiene conto del fatto che nell ambito dello stesso bando, sono già state presentate altre due proposte di progetto da realizzarsi presso le sedi di Ottana e Tortolì, pertanto le finalità sperimentali previste per il presente impianto saranno integrative e/o alternative rispetto a quelle previste per gli altri due impianti citati, nell ottica di un globale processo di crescita del know-how nel settore. 2. SOLUZIONI PROGETTUALI ANALIZZATE E SCELTE PROGETTUALI Il presente progetto preliminare ha per oggetto la realizzazione di un impianto solare termodinamico a concentrazione (CSP) di piccola taglia (potenza elettrica di circa 600 kw) e di una micro rete intelligente per la gestione della produzione integrata di energia elettrica da fonte solare e da biogas e la gestione di sistemi di stoccaggio dell energia termica ed elettrica. Come accennato nell introduzione al presente documento, una volta analizzata la situazione degli impianti esistenti e constatata la difficoltà di utilizzo della parte termica dell energia prodotta dall impianto termodinamico, è stata definita un idea di integrazione elettrica tra gli impianti che mira alla realizzazione di una micro-rete elettrica sperimentale. La realizzazione della micro rete consentirà di bilanciare la produzione e la richiesta di energia grazie alla presenza del sistema di accumulo termico dell impianto solare termodinamico (sistema a termoclino), di un sistema di accumulo elettrochimico (batterie) e dei sistemi di accumulo chimico di cui l impianto di trattamento rifiuti è già dotato (un gasometro da 1500 Nm3 per il biogas prodotto dal processo di digestione anaerobica e un gasometro da 5000 Nm3 per il gas estratto dalla discarica), allo scopo di supportare i carichi elettrici del Consorzio ed eventualmente consentire l immissione in rete di profili di potenza attiva controllati. Il progetto ha un importante valore sperimentale in quanto lo sviluppo di reti intelligenti, basate su sistemi di controllo avanzati e sull utilizzo di sistemi di accumulo elettrico e termico, è considerato uno degli elementi fondamentali per supportare la sempre più crescente diffusione realizzazione di sistemi e la gestione delle reti intelligenti ( Smart Grid ) soprattutto in presenza di una forte penetrazione della generazione distribuita da fonte rinnovabile, soprattutto in presenza di sistemi caratterizzati da produzione non programmabile, riducendone l impatto sulla rete elettrica nazionale. La soluzione impiantistica proposta per la micro rete è stata sviluppata in modo da conciliare la necessità di sperimentare la tecnologia del solare termodinamico con le esigenze ed i vincoli imposti dalle caratteristiche degli impianti di generazione elettrica preesistenti all interno del Consorzio Industriale, nonché dei profili di carico delle utenze. In particolare, la configurazione dell impianto solare termodinamico oggetto della presente relazione è stata sviluppata con la finalità di sperimentare soluzioni integrative e complementari rispetto a quelle relative alle altre due proposte di impianti basati sulla tecnologia del solare termodinamico (finanziate sempre nell ambito del POR FESR , Asse III, Energia, e delle delibere della Giunta Regionale n. 32/29 e 19/23) da realizzarsi presso le sedi di Ottana (da parte di ENAS, Ente Acque della Sardegna) e di Tortolì (da parte del Consorzio Industriale Provinciale dell Ogliastra). L impianto solare termodinamico ipotizzato è basato sulla tecnologia dei concentratori lineari di Fresnel e utilizza olio diatermico come fluido termovettore. La scelta della tipologia di campo solare è stata motivata innanzitutto dalle indicazioni espresse dell amministrazione regionale in sede di bando, le quali individuavano la preferenza per i sistemi a concentrazione lineare. I collettori a concentrazione lineare rappresentano la tecnologia attualmente più matura per l integrazione con sistemi di generazione elettrica aventi potenze a partire da poche centinaia di kwe fino a diverse decine di MWe. Tra i diversi tipi di concentratori lineari, la tecnologia di Fresnel è particolarmente adatta per la produzione di energia termica e/o elettrica nelle applicazioni di piccola taglia (P = 0,5-1 MW elettrici) sia per la sua struttura compatta, che consente una notevole riduzione dell area occupata dal campo specchi, sia per la maggiore semplicità e riduzione dei costi del sistema di captazione. Inoltre, il sistema non prevede la movimentazione della linea focale, contrariamente a quanto avviene invece nella tecnologia a specchi parabolici, evitando quindi l uso dei giunti mobili o flessibili che, oltre ad avere maggiori RELAZIONE GENERALE ILLUSTRATIVA 5

7 costi di installazione, possono presentare problemi di tenuta in fase di esercizio. Pertanto, dati i vincoli di carattere tecnico ed economico stabiliti in sede di bando e gli spazi disponibili per l intervento, la scelta progettuale è ricaduta su questa tecnologia. D altra parte, le temperature massime conseguibili con i sistemi a collettori di Fresnel, seppure inferiori a quelle conseguibili con altre tipologie di collettori lineari, soddisfano comunque pienamente gli obiettivi del progetto. La scelta del fluido termovettore è stata determinata dalla necessità di garantire una produzione elettrica affidabile. Tra le tecnologie disponibili, basate sostanzialmente su tre tipi di fluidi (l olio diatermico, il vapore e i sali fusi) si è preferita la soluzione basata sull utilizzo dell olio diatermico, che allo stato attuale è decisamente più consolidata rispetto alle altre. Riguardo invece la sezione per l accumulo termico, si è deciso di adottare un sistema altamente innovativo da un punto di vista sperimentale, basato sulla tecnologia del termoclino con accumulo ad olio. Rispetto alle altre due possibili soluzioni, entrambe basate su un sistema a doppio serbatoio e con accumulo di olio diatermico o sali fusi, questa soluzione richiede minori volumi di olio e minori costi (legati sia alla minore quantità di olio che all impiego di un unico serbatoio). Per questo motivo, sebbene si trovi in uno stadio di maturità meno avanzato, è stato considerato più interessante ai fini del presente progetto. Il sistema sarà in grado di garantire il funzionamento dell impianto per ulteriori 5 ore. La sezione di potenza sarà basa su un sistema a ciclo Rankine con fluidi organici (impianto ORC, Organic Rankine Cycle). Per la taglia di impianto in esame, tale configurazione risulta più flessibile, più adatta e meno costosa rispetto ad altri sistemi di generazione, come ad esempio le turbine a vapore. Al fine di realizzare una micro rete intelligente, il sistema di generazione integrato includerà infine un impianto di accumulo elettrico, necessario per la compensazione delle fluttuazione dinamiche dei carichi elettrici che caratterizzano le utenze elettriche del Consorzio. Infatti, le dinamiche dei carichi risultano essere troppo rapide per poter essere compensate modulando la produzione di energia elettrica dei soli cogeneratori a biogas e della sezione di potenza dell impianto termodinamico. L accumulo elettrochimico è inoltre necessario per la compensazione degli errori di previsione sulla produzione Localizzazione dell impianto e inserimento ambientale L area da destinare all impianto in oggetto ricade nella Zona D (Zona per le attività produttive di interesse regionale) dell Allegato Tavola D5 Zonizzazione del Territorio del P.U.C. del comune di Villacidro, ovvero all interno dell area di pertinenza del Consorzio Industriale Medio Campidano. Facilmente accessibile dal punto di vista viario, oltre a presentare un basso livello di antropizzazione risulta priva di vincoli paesaggisticonaturali infatti La Figura 1 mostra l ubicazione dell area e degli impianti coinvolti nel progetto. L impianto in oggetto non ricade nella vicina area individuata come S.I.N. (Figura 2), come da Delibera della Giunta Regionale N. 27/13 del 01/06/2011 con cui è stata approvata la perimetrazione del sito d interesse nazionale (S.I.N.) del Sulcis-iglesiente-Guspinese RELAZIONE GENERALE ILLUSTRATIVA 6

8 Fig.1 : Localizzazione dell impianto RELAZIONE GENERALE ILLUSTRATIVA 7

9 Fig. 2: Localizzazione dell impianto rispetto ad area SIN L area di intervento non ricade, neanche parzialmente in aree naturali protette, come definite della Legge n 394/1991, o ad esse equiparate, e all interno dei siti Natura 2000, come previsto dall art. 5, comma 24 della L.R.n 3/2009. (Vedi anche Mappe del Piano Paesaggistico Regionale) Con riferimento alla verifica della conformità urbanistica l installazione dell impianto proposto ricade nella Zona D industriale come indicato dal perimetro riportato sugli elaborati D5 e D.6.N. dal Piano Regolatore della Zona Industriale, adottato dal comune come Piano Particolareggiato e approvato nelle forme di legge, tra le attività indicate dal PUC e rientra tra le attività previste dall articolo 55 dello stesso Piano. Complessivamente, nel caso del presente progetto, per il fatto che l impianto solare è di tipo sperimentale e di potenzialità ridotta, con temperatura di esercizio intorno a ca. 260 C, è del tipo termodinamico a concentrazione, è installato in un area dedicata dalla comunità (Enti preposti) proprio a tali attività si ritiene che, in un seppur approssimato bilancio costi - benefici dell utilizzo del suolo, siano prevalenti i benefici. La valutazione dell energia solare disponibile, in mancanza di dati misurati direttamente nel sito, è stata effettuata attraverso il software Meteonorm, di largo impiego nel settore della progettazione degli impianti solari. Tale software valuta i principali parametri meteorologici di interesse per il dimensionamento degli impianti solari sulla base dei dati forniti dalle più vicine stazioni di misura, di dati satellitari e di specifiche correlazioni di letteratura. Ai fini della progettazione e della valutazione delle prestazioni degli impianti solari a concentrazione, l informazione di maggiore interesse è quella relativa alla radiazione diretta su una superficie normale ai raggi solari (DNI, Direct Normal Irradiation). Infatti, mentre gli impianti solari termici e fotovoltaici convenzionali utilizzano sia la componente diretta che quella diffusa (la somma delle due componenti fornisce la radiazione globale) e mantengono una orientazione della superficie di captazione fissa rispetto al suolo, gli impianti solari a concentrazione (sia termodinamici che fotovoltaici) sono in grado di utilizzare solo la componente diretta dei RELAZIONE GENERALE ILLUSTRATIVA 8

10 raggi solari e sono dotati di un sistema di inseguimento della traiettoria solare su uno o due assi di rotazione. In relazione al loro sviluppo longitudinale, i collettori a concentrazione lineare sono dotati di un sistema di inseguimento ad un solo asse di rotazione, intrinsecamente meno efficiente di un sistema a due assi di rotazione, in quanto in grado di captare sono una quota parte della DNI. Nel complesso, la radiazione diretta sul piano normale ai raggi solari nel sito in esame, risulta pari a circa 1723 kwh/m2 anno, rispetto ad una radiazione globale al suolo di circa 1650 kwh/m2 anno. La Figura 3 riporta l andamento medio orario della radiazione normale diretta previsto per il sito di Villacidro in un anno tipo. Come mostrato nella Figura 3, i valori massimi della DNI sono dell ordine di 900 W/m2 anche se tali valori vengono raggiunti solo per un limitato numero ore all anno. Il dimensionamento degli impianti solari termodinamici viene solitamente effettuato con riferimento ai valori più elevati della DNI (convenzionalmente si fa spesso riferimento alla DNI rilevata il 21 giugno alle 12.00, ovvero in corrispondenza del solstizio d estate). In questo caso, per le condizioni di progetto è stata assunta una DNI pari a 900 W/m2. Fig.3 : Radiazione diretta normale (DNI) nel sito di Villacidro. I dati di radiazione solare presi in esame a livello preliminare dimostrano che nel sito di installazione sussistono le condizioni di irraggiamento idonee per la realizzazione di un impianto solare termodinamico a concentrazione. I dati stimati dovranno essere comunque confermati da un opportuna campagna di misura della radiazione sul sito oggetto dell intervento. 3. CARATTERISTICHE DELLE OPERE E DEGLI IMPIANTI ESISTENTI 3.1 Configurazione impiantistica attuale L impianto di trattamento dei rifiuti solidi urbani del Consorzio Industriale del Medio Campidano-Villacidro, attualmente gestito dalla società Villaservice S.p.A, include diverse sezioni per il trattamento, il recupero, la valorizzazione e lo smaltimento dei rifiuti solidi urbani. In particolare, l impianto comprende: - una sezione di prima selezione; - un impianto per la digestione anaerobica della frazione organica; - una sezione per il compostaggio; - una discarica con annesso sistema per la captazione del biogas. RELAZIONE GENERALE ILLUSTRATIVA 9

11 Nel 2012, l impianto ha trattato circa t di rifiuti solidi urbani. Di questi, circa il 43% è rappresentato dalla frazione organica (proveniente da raccolta differenziata) e circa il 55% da rifiuti non riciclabili e speciali da smaltire in discarica. Una quota marginale di secco residuo è stata invece trasferita ad altri impianti di termovalorizzazione. L impianto di estrazione e conversione energetica del biogas da discarica è stato realizzato, completato e collaudato ed è in attesa delle autorizzazioni definitive da parte del GSE per l entrata in esercizio. La sezione di estrazione del biogas da discarica è associata a due unità di cogenerazione aventi potenza elettrica nominale pari a circa 1 MWe e da un sistema di filtraggio e accumulo del biogas estratto di capacità pari a circa Nm3 (il tenore in metano nel biogas da discarica è pari a circa il 45%). Le relazioni tecniche relative alla stima di producibilità, riportate nel progetto per l impianto di captazione e recupero energetico del biogas, evidenziano che la quantità di biogas estraibile è fortemente diminuita dal 2007 in poi, pertanto si può ragionevolmente ipotizzare una sostanziale riduzione della produzione negli anni futuri. L avvio del processo di captazione di biogas da un secondo modulo, previsto dal Consorzio, potrebbe garantire un nuovo apporto di biogas, ma in quantità via via minori a causa della riduzione del conferimento in discarica di sostanze organiche, conseguente al miglioramento del processo della raccolta differenziata. D altra parte, la produzione di biogas da digestione anaerobica subirà un progressivo aumento per effetto sia dell incremento quantitativo e qualitativo della frazione organica prodotta dalla raccolta differenziata, sia del previsto apporto di fanghi reflui dall impianto di depurazione delle acque. Il biogas prodotto presenta un tenore di metano pari al 70% ed è attualmente utilizzato in parte per il soddisfacimento del fabbisogno termico del processo mesofilo della digestione, mediante combustione in una caldaia dedicata, e in parte per l alimentazione di un impianto di generazione elettrica di potenza nominale pari a 600 kwe. Dalla relazione annuale 2012, redatta da Villaservice S.p.A, risulta inoltre disponibile una quantità di biogas, rispetto a quella già utilizzata nei processi di conversione, in eccedenza e pari a circa Nm3 con un tenore di metano pari al 70%, corrispondenti, considerata la natura pressoché stazionaria del processo, ad una portata oraria media di 65 Nm3/h. L attuale sistema di accumulo del biogas annesso all impianto di digestione anaerobica è caratterizzato da una limitata capacità di accumulo, pari a circa Nm3. Ciò evidenzia la necessità di pianificare un incremento della potenza del sistema di conversione energetica del biogas prodotto da digestione anaerobica o la definizione di nuove configurazioni impiantistiche che consentano un completo utilizzo della risorsa. Nel 2012, il consumo di energia elettrica dei diversi processi di selezione meccanica, compostaggio e nella discarica è stato pari a circa MWhe, mentre i consumi complessivi registrati dalla fornitura in MT per l alimentazione dell intero complesso sono stati pari a circa MWhe. Pertanto l attuale produzione di energia elettrica non permette il soddisfacimento dei consumi degli impianti. Il fabbisogno di energia termica degli impianti, la cui quota principale è data dalla richiesta termica per il mantenimento del processo di digestione anaerobica, sono stati pari a circa MWht, ampiamente soddisfatti dalla produzione esistente. L analisi evidenzia quindi che l impianto nel quale si inserisce l intervento di produzione di energia elettrica e termica presenta a livello potenziale i requisiti tecnici richiesti per il raggiungimento degli obbiettivi precedentemente esposti in quanto: presenta una carico elettrico significativo pari a circa MWhe; presenta una carico termico di processo pari a circa MWht; presenta impianti di produzione di energia da fonti rinnovabili che attualmente non consentono il soddisfacimento del carichi elettrici annuali; presenta un sistema di accumulo energetico di tipo chimico (gasometro) asservito alla discarica di capacità pari a Nm3 corrispondente, in caso di biogas con tenore di metano al 45%, a circa 22,5 MWht; presenta un sistema di accumulo energetico di tipo chimico (gasometro) asservito all impianto di digestione anaerobico di capacità pari a Nm3; l impianto svolge attività di servizio di pubblica utilità; presenta una struttura impiantistica integrata e interconnessa. RELAZIONE GENERALE ILLUSTRATIVA 10

12 3.2 Proposta di integrazione La possibilità di integrazione termica dell impianto solare termodinamico con gli impianti esistenti è stata esclusa, in quanto i processi esistenti producono già energia termica in esubero. Tuttavia, il contesto industriale in esame mostra delle peculiarità da un punto di vista elettrico, che lo rendono potenzialmente interessante per la sperimentazione di sistemi innovativi di integrazione elettrica e gestione dei flussi di energia. Sulla base di tali considerazioni è stata valutata la possibilità di utilizzare i sistemi energetici e le risorse disponibili unitamente al sistema solare termodinamico allo scopo di realizzare una micro rete intelligente. L obbiettivo è quello di coordinare la produzione e l accumulo dei sistemi energetici utilizzabili e del solare termodinamico allo scopo di giungere ad un elevato grado di autonomia energetica elettrica dell intera struttura sopra descritta e connessa alla rete di distribuzione nel punto di allaccio identificato con il POD IT001E I principali interventi di integrazione proposti sono riassunti di seguito: Ottimizzazione della configurazione impiantistica per consentire una conversione energetica efficiente del biogas prodotto, mediante il pieno utilizzo dei sistemi cogenerativi. L integrazione della produzione di biogas da digestione anaerobica con l impianto di cogenerazione asservito alla discarica consentirà di aumentare la flessibilità di gestione dell impianto. Il trattamento del rifiuto verrebbe così sostenuto interamente con il ricorso a fonti energetiche rinnovabili. Realizzazione di una micro-rete sperimentale finalizzata all autoconsumo di energia elettrica da parte del consorzio e alla riduzione dell impatto degli impianti sulla rete di distribuzione. La soluzione proposta prevederà l integrazione e la gestione ottimale dei diversi sistemi di generazione (solare termodinamico, impianto di digestione e discarica) e dei relativi sistemi di accumulo (accumulo termico del CSP e sistemi di accumulo del biogas). L analisi preliminare dei diagrammi di evoluzione del carico elettrico nell arco della giornata ha evidenziato la presenza di rapide fluttuazioni della potenza attiva imputabili al ciclo di funzionamento degli impianti. Tali fluttuazioni non possono essere compensate dai generatori esistenti e da quello associato all impianto termodinamico a causa di limitazioni di carattere dinamico. Pertanto, la configurazione della micro rete deve includere anche dei dispositivi energetici che permettano di rispondere alla variazioni di carico presenti con forniture o assorbimenti di energia caratterizzati dalle medesime dinamiche. A tale scopo si è ritenuto opportuno dotare il sistema energetico elettrico in esame di una batteria elettrochimica, dimensionata sulla base delle simulazioni condotte sui profili di carico derivanti dai dati registrati durante la campagna di monitoraggio, effettuata dal Dipartimento di Ingegneria Elettrica ed Elettronica dell Università degli Studi di Cagliari e i cui risultati saranno di seguito descritti hanno preventivamente dimostrato la sua fattibilità. Infatti la realizzazione della micro rete, basata sull integrazione dell impianto solare termodinamico con gli impianti esistenti e sull utilizzo di un sistema di accumulo elettrochimico totalmente asservito alla micro rete, consentirà al Consorzio non solo di raggiungere una certa autonomia energetica ma di minimizzare nel contempo l impatto degli impianti sulla rete elettrica di distribuzione ma di immettere in rete energia elettrica con profili di potenza costanti. A tutto ciò si uniscono ulteriori vantaggi difficilmente quantificabili connessi allo sviluppo delle attività sperimentali, alla definizione di nuovi criteri di gestione e ottimizzazione delle risorse energetiche e alla definizione di modelli replicabili in altre realtà industriali o non. 4. DESCRIZIONE DETTAGLIATA DELLA SOLUZIONE PROPOSTA Le scelte progettuali per la realizzazione dell intervento riguardano le diverse sezioni dell impianto integrato, in particolare: l impianto solare termodinamico (costituito principalmente dail campo solare, dalla sezione di accumulo termico e dalla sezione di potenza la sezione di accumulo elettrochimico il sistema di controllo e gestione della micro rete intelligente. RELAZIONE GENERALE ILLUSTRATIVA 11

13 4.1 Impianto solare termodinamico La tecnologia degli impianti termodinamici a concentrazione solare si basa sull utilizzo di superfici riflettenti che concentrano la radiazione solare su un tubo ricevitore. All interno di quest ultimo scorre un fluido termovettore che trasporta l energia termica accumulata verso altre sezioni dell impianto per essere convertita in energia elettrica, impiegata direttamente o destinata ad altri usi. La Figura 4 illustra lo schema di processo dell impianto solare termodinamico previsto nel presente progetto.. Fig. 4 : Schema di processo dell impianto solare termodinamico. L olio diatermico proveniente dalla sezione di potenza ed eventualmente anche dal serbatoio di accumulo a termoclino ST viene alimentato al campo solare ad una temperatura di circa 150 C. L olio viene quindi ripartito fra 6 linee di collettori solari a concentrazione operanti in parallelo, dai quali fuoriesce a circa 260 C. L olio ad alta temperatura viene quindi alimentato all impianto ORC e, nel caso in cui la portata sia superiore a quella richiesta dalla sezione di potenza, una parte viene accumulata nel serbatoio ST. Viceversa, nel caso in cui la portata d olio proveniente dal campo solare sia insufficiente a soddisfare la richiesta del modulo ORC, essa viene integrata con un prelievo dal serbatoio di accumulo. L olio diatermico viene quindi nuovamente inviato, tramite la pompa principale, al campo solare. Nel modulo ORC, l energia termica ceduta dall olio diatermico consente di preriscaldare e vaporizzare il fluido organico (un olio siliconico) che costituisce il fluido operativo del ciclo termodinamico Rankine. Il fluido organico espande in una apposita turbina, viene riportato alla fase liquida mediante un condensatore raffreddato ad acqua e compresso. La potenza termica asportata dall acqua di raffreddamento del condensatore viene dispersa in atmosfera attraverso una batteria di scambiatori raffreddati ad aria. Il modulo ORC e le pompe di circolazione dell olio e dell acqua sono ospitati all interno dell edificio macchine termiche, opportunamente insonorizzato e ventilato. Il dimensionamento dell impianto è stato effettuato con riferimento ai dati climatici e ambientali riassunti nella seguente Tabella 1. Temperatura massima dell aria 38 C Temperatura minima dell aria 1 C Temperatura dell aria di progetto 18,0 C Umidità relativa media 74 % Velocità media del vento 4,0 m/s Radiazione solare diretta (DNI) di 900 W/m 2 progetto Altezza solare/azimuth di progetto 74,2 /0 Tabella 1 : Dati meteorologici e ambientali di progetto RELAZIONE GENERALE ILLUSTRATIVA 12

14 Con riferimento alle condizioni di progetto sopra riportate, i principali dati caratteristici dell impianto sono riassunti nella seguente Tabella 2. Sezione di potenza con impianto ORC Potenza elettrica lorda Potenza termica ingresso modulo ORC 600 kw 2970 kw Temperatura olio ingresso/uscita modulo ORC 260/150 C Portata olio 11,5 kg/s Rendimento lordo modulo ORC 20,2% Potenza termica al circuito di raffreddamento Campo solare con collettori lineari Fresnel 2340 kw Superficie netta di captazione solare m 2 Potenza termica prodotta (DNI=900 W/m 2 ) 6120 kw Rendimento in condizioni di progetto 59,8% Portata olio diatermico 23,7 kg/s Multiplo solare 2,06 Sezione di accumulo termico a termoclino Volume complessivo del serbatoio 270 m 3 Massa materiale di riempimento 450 t Massa olio diatermico 62 t Capacità di accumulo termico 14,85 MWh Ore autonomia modulo ORC da solo accumulo 5 h Impianto solare termodinamico Assorbimenti elettrici interni Potenza elettrica netta 65 kw 530 kw Tabella 2 : Principali dati caratteristici e prestazioni dell impianto solare termodinamico in condizioni di progetto. Come evidenziato in Tabella 2, l impianto è stato dimensionato con riferimento ad un modulo ORC con potenza lorda di 600 kw, cui corrisponde una potenza termica in ingresso di poco inferiore a 3000 kw fornita mediante olio diatermico a 260 C. In condizioni di progetto, la superficie effettiva di captazione del campo solare è sostanzialmente doppia rispetto alla superficie minima richiesta per produrre la potenza termica assorbita dal modulo ORC (il multiplo solare risulta pari a 2,06). Questa maggiore superficie di captazione consente di accumulare una significativa quantità di energia termica durante le ore di maggiore insolazione e di poterla quindi utilizzare in momenti successivi. L accumulo termico presenta un importante duplice vantaggio: esso può essere utilizzato per esercire il modulo ORC a potenza nominale, e quindi con il massimo rendimento, oppure per produrre l energia elettrica RELAZIONE GENERALE ILLUSTRATIVA 13

15 con prefissati profili. Come evidenziato in Tabella 3, l impianto è stato dimensionato per un accumulo termico di poco inferiore a 15 MWh corrispondenti a circa 5 ore di autonomia del modulo ORC a potenza nominale. A titolo di confronto, si può osservare che la normativa nazionale inerente l incentivazione dell energia da fonte solare termodinamica prevede un accumulo termico minimo pari a 0,4 kwh per m 2 di superficie netta di captazione (ovvero circa 4,55 MWh nel caso in esame). Nel complesso, considerando gli assorbimenti elettrici interni (ausiliari ORC, pompe, ventilatori degli aerotermi, sistema di movimentazione degli specchi, etc.), la potenza elettrica netta è pari a circa 530 kw Campo solare Il campo solare utilizzato sarà basato su un insieme di collettori lineari con specchi Fresnel aventi struttura modulare e opportunamente collegati fra loro in serie al fine di costituire una linea e di ottenere il valore di temperatura dell olio diatermico desiderato. Le diverse linee di collettori saranno poi collegate fra loro in parallelo al fine di ottenere il prefissato valore di portata dell olio diatermico. La Figura 5 illustra lo schema del modulo base considerato in sede di progetto preliminare. Fig. 5 : Schema del modulo base del collettore solare a specchi di Fresnel Il modulo base del collettore è costituito da diverse file di specchi piani (o con solo una leggera curvatura) che nel complesso approssimano un profilo parabolico attraverso una opportuna inclinazione. Le file di specchi piani (il numero può variare da un minimo di 5-7 fino a circa 50) vengono movimentate attraverso una rotazione lungo l asse longitudinale per seguire la traiettoria solare. Tale movimentazione consente di indirizzare i raggi solari lungo la linea focale dove è posizionato il ricevitore. Quest ultimo è sostenuto da una intelaiatura metallica ad una distanza dal piano degli specchi variabile nell intervallo 4-8 metri, in relazione alla apertura totale degli stessi. Al fine di massimizzare l assorbimento della radiazione solare concentrata il ricevitore è dotato di una seconda superficie riflettente che indirizza verso il tubo assorbitore i raggi solari non direttamente intercettati da quest ultimo. Il tubo assorbitore è contenuto all interno di un tubo in vetro di maggiore diametro nella cui intercapedine è stato fatto il vuoto (tubi assorbitori sotto vuoto). RELAZIONE GENERALE ILLUSTRATIVA 14

16 La Figura 6 riporta, a titolo esemplificativo, il collettore lineare Fresnel installato presso la Plataforma Solar de Almeria, in Spagna, nell ambito del progetto FRESDEMO. Fig. 6: Collettore lineare Fresnel installato presso la PSA di Almeria Per l impianto solare termodinamico in esame è stato considerato un campo solare basato su moduli Fresnel con larghezza complessiva di 17 metri, lunghezza di 6,1 metri, 20 file di specchi con larghezza di circa 57 cm (cosicché il fattore di riempimento della superficie a specchi è di circa il 67%). Il ricevitore è costituito da un riflettore secondario e da un tubo assorbitore sotto vuoto con diametro interno di 70 mm all interno del quale scorre l olio diatermico. I singoli moduli sono collegati in serie al fine di realizzare una linea complessivamente lunga circa 165 metri (27 moduli per linea). Il campo solare risulta nel complesso composto da 6 linee aventi ai due opposti estremi i collettori con le tubazioni principali di arrivo e di mandata dell olio diatermico, come anche evidenziato nella precedente Figura 5. La Tabella 3 riporta le specifiche del campo solare considerate in sede di progetto preliminare. Modulo Solare Larghezza totale del modulo 17,0 m Lunghezza del modulo 6,1 m Superficie lorda del modulo 103,7 m 2 Superficie captante netta del modulo 70,2 m 2 Altezza del ricevitore dagli specchi 8,0 m Diametro tubo ricevitore 70 mm Rendimento ottico di riferimento 65,4 % Linea di collettori Numero di linee 6 Numero di moduli per linea 27 RELAZIONE GENERALE ILLUSTRATIVA 15

17 Lunghezza totale della linea 164,7 m Superficie lorda della singola linea 2799,9 m 2 Superficie netta di captazione della singola linea 1895,4 m 2 Distanza trasversale fra i gruppi di linee 4,5 m Campo Solare Superficie lorda dei collettori 16799,4 m 2 Superficie netta di captazione 11372,4 m 2 Potenza termica nominale prodotta 6119,2 kw Temperatura ingresso olio diatermico 150 C Temperatura uscita olio diatermico 260 C Portata di olio 23,7 kg/s Rendimento globale in condizioni di progetto 59,8% Tabella 3: Principali dati caratteristici dei collettori lineari Fresnel Le prestazioni in condizioni di progetto fanno riferimento ad una DNI di 900 W/m 2 (oltre che ad un angolo di azimuth pari a zero e ad una altezza solare di 74,2 ). Tuttavia, il campo solare opera generalmente con valori di radiazione solare diversa da quella di progetto. Peraltro, anche a parità di DNI, in relazione alla posizione istantanea del sole (altezza solare e angolo di azimuth), la radiazione solare diretta effettivamente incidente sul piano degli specchi risulta inferiore alla DNI, dal momento che gli specchi sono dotati di un sistema di inseguimento della traiettoria solare ad un solo asse. L intera struttura del campo solare deve essere realizzata in acciaio, vincolata al terreno attraverso un sistema di fissaggio idoneo a garantire in maniera stabile l orientazione prevista dal progetto, con venti fino a 20 m/s. Il campo solare è dotato di un sistema di pulizia degli specchi ad acqua, con un consumo annuo di acqua pari a circa 25 m 3. I tratti di tubazione di collegamento fra il ricevitore solare e le flange dei collettori principali di arrivo e di mandata dell olio diatermico sono realizzati in acciaio adatto all impiego di fluidi ad alta temperatura. Le tubazioni di collegamento sono coibentate con coppelle di lana di roccia e rivestimento in lamierino di alluminio. In corrispondenza di tutti i collegamenti flangiati sono previsti opportuni pozzetti di contenimento e di raccolta delle eventuali perdite di olio. Il campo solare dovrà funzionare in modalità completamente automatica senza la necessità di alcuna supervisione da parte del personale, sia in condizioni di normale esercizio sia in condizioni emergenza. In caso di malfunzionamento o di condizioni di pericolo (eccessiva velocità del vento, sovratemperatura dell olio, perdite di olio, etc.) l alimentazione dell olio diatermico dovrà essere interrotta e il campo specchi posto in condizioni di sicurezza. La potenza termica prodotta dal campo solare dovrà essere regolabile almeno fra il 20% e il 100% in relazione alla possibilità di produrre minori portate di olio diatermico rispetto a quelle consentite dall energia solare disponibile (serbatoio di accumulo termico completamente carico o indisponibile) Sezione di potenza L intero progetto è stato sviluppato con riferimento ad un modulo ORC caratterizzato da una potenza nominale lorda di 600 kw. Un impianto ORC (Organic Rankine Cycle) produce energia elettrica (ed eventualmente energia termica a bassa temperatura) attraverso la conversione dell energia termica ceduta dall olio diatermico operando secondo un ciclo termodinamico Rankine. La quota parte dell energia termica fornita in ingresso e non convertita in energia meccanica viene resa disponibile all esterno sotto forma di acqua a bassa temperatura. Quest ultima viene quindi dispersa in atmosfera attraverso una batteria di refrigeratori ad umido (torri evaporative) o, come nel caso dell impianto considerato, a secco (dry-coolers). La Figura 7 illustra lo schema di funzionamento generale dell impianto ORC. Il fluido operativo allo stato liquido viene dapprima preriscaldato mediante rigenerazione interna (rigeneratore RG) e poi nel preriscaldatore alimentato con l olio diatermico (scambiatore PR), mentre la vaporizzazione del fluido operativo avviene in uno scambiatore separato (vaporizzatore VP). Il fluido operativo, in condizioni di vapore saturo (a circa 10 bar e 200 C) espande in una turbina (T), collegata meccanicamente al generatore elettrico (G). All uscita della turbina il fluido operativo si trova ancora allo stato di vapore e ad una pressione inferiore a quella ambiente (la pressione è di circa 0,15-0,25 bar) e viene raffreddato nello scambiatore rigenerativo. Nel condensatore (CD) raffreddato ad acqua, il fluido operativo viene riportato allo stato liquido e poi compresso mediante una apposita pompa (P). RELAZIONE GENERALE ILLUSTRATIVA 16

18 Le caratteristiche peculiari del ciclo ORC sono rappresentate dall impiego di un fluido operativo ad elevata massa molare che consente di utilizzare turbine monostadio, con diametri relativamente elevati e quindi basse velocità periferiche (contrariamente a quanto avviene invece nelle turbine a vapore di bassa potenza). La turbina mantiene pertanto elevati rendimenti, può ruotare a velocità compatibili con un accoppiamento diretto con il generatore elettrico (ovvero senza la presenza di riduttori) e presenta anche limitati fenomeni di erosione grazie al fatto che l espansione avviene solo nella zona del vapore secco. 5 G T 2 6 RG VP Ingresso olio 8 P Ingresso acqua 11 CD PR Uscita acqua 1 Uscita olio Fig.7 : Schema di funzionamento dell impianto ORC Questi impianti sono generalmente caratterizzati da una notevole flessibilità operativa, con carichi minimi anche fino al 10-20% della potenza nominale e modeste riduzioni di rendimento in condizioni di off-design. La potenza degli impianti ORC varia da alcune centinaia di kwe fino ad alcuni MWe (oltre 5-10 MWe appaiono più competitivi gli impianti a vapore convenzionali), con rendimenti che partono da valori del 17-18% per le soluzioni più semplici fino a quasi il 25% per le soluzioni più sofisticate. Nel caso dell impianto considerato, in relazione ai modesti valori della potenza elettrica prodotta, la scelta si è indirizzata verso un modulo con temperatura in ingresso dell olio non particolarmente elevata (circa 260 C). In corrispondenza di una potenza lorda dell ordine di 600 kw, il rendimento del modulo è di circa il 20%, cui corrisponde una potenza termica in ingresso dell ordine di 3000 kw. Migliori rendimenti possono eventualmente essere conseguiti con impianti ORC aventi maggiori temperature di ingresso dell olio diatermico (fino anche a C), sebbene in questo caso sia richiesta la disponibilità di oli diatermici in grado di operare a queste temperature con adeguati requisiti di durata e a bassa pressione (al fine di evitare il ricorso ad apparecchiature in pressione nella sezione di accumulo termico). La potenza termica asportata dal condensatore è pertanto di poco inferiore a 2400 kw e viene ceduta all acqua di raffreddamento (che potrebbe essere anche impiegata per eventuali usi cogenerativi a bassa entalpia a circa 35 C). In considerazione dei consumi interni (circa 25 kw), la potenza netta prodotta in condizioni di progetto è di circa 575 kw e conseguentemente il rendimento netto risulta pari a circa il 19%. Potenza elettrica lorda 600 kw Potenza termica ingresso modulo ORC 2970 kw Temperatura olio ingresso/uscita modulo ORC 260/150 C Portata olio 11,5 kg/s Potenza termica al condensatore 2340 kw Temperatura ingresso/uscita condensatore 25/35 C Portata d acqua condensatore 55 kg/s Rendimento lordo modulo ORC 20,2% RELAZIONE GENERALE ILLUSTRATIVA 17

19 Potenza netta modulo ORC 575 kw Rendimento netto modulo ORC 19,4% Tabella 4: Principali dati caratteristici del modulo ORC. In condizioni reali di funzionamento, la potenza e il rendimento di un impianto ORC dipendono tuttavia in maniera significativa dalla temperatura dell acqua di raffreddamento del condensatore (direttamente legata alla temperatura dell aria) e dal carico termico (che nell impianto in progetto dipende dalla radiazione solare disponibile e dal livello di carica dell accumulo termico). Il modulo deve essere installato all interno di un apposito locale, opportunamente ventilato, con dimensioni minime pari a circa 8 metri di larghezza per 20 metri di lunghezza e 6 metri di altezza. In tal senso, il modulo ORC dovrà essere progettato per operare all interno di un locale chiuso, ventilato e non polveroso, con una temperatura interna compresa fra 5 C e 40 C. Il modulo dovrà essere pre-assemblato in fabbrica e montato su di una apposita piattaforma predisposta per l installazione e il fissaggio su una fondazione in calcestruzzo. Tutti i componenti del modulo ORC dovranno essere provvisti di un isolamento termico in materiale isolante con rivestimento in lamierino. Il livello di pressione sonora massimo del modulo ORC sarà di 90 db(a) misurato alla distanza di 1 metro e con l impianto funzionante in condizioni nominali. Il generatore elettrico sarà di tipo asincrono trifase, con frequenza in uscita di 50 Hz e tensione nominale di 400 V. La potenza elettrica netta prodotta dal modulo ORC dovrà essere regolabile almeno fra il 30% e il 100% del carico nominale. Il modulo ORC dovrà funzionare in modalità completamente automatica senza la necessità di alcuna supervisione da parte del personale, sia in condizioni di normale esercizio sia in condizioni di emergenza. In caso di malfunzionamento o di condizioni di pericolo, il modulo ORC dovrà disconnettersi in automatico dalla rete elettrica e portarsi in condizioni di sicurezza Sezione di accumulo termico a termoclino La sezione di accumulo termico è stata dimensionata con l obiettivo di garantire il funzionamento della sezione di potenza per circa 5 ore a potenza nominale attraverso l alimentazione di olio diatermico a 260 C e la sua restituzione a 150 C. Considerata la potenza termica del gruppo ORC (2970 kw), la sezione di accumulo termico deve essere in grado di accumulare nominalmente 14,85 MWh. La sezione di accumulo termico è costituita da un unico serbatoio in acciaio contenente il materiale di riempimento solido che viene attraversato alternativamente dall olio diatermico nelle due direzioni durante i cicli di carica e di scarica. La fase di carica avviene introducendo l olio proveniente dal campo solare (a circa 260 C) dalla parte alta del serbatoio attraverso un opportuno distributore, al fine di omogeneizzare il flusso lungo tutta la sezione trasversale del serbatoio. L olio ad alta temperatura percorre dall alto verso il basso il serbatoio, riscaldando così strati progressivamente crescenti di materiale solido, il quale si porta ad una temperatura pari a quella dell olio in ingresso. Nell attraversare il letto di materiale solido l olio si raffredda, viene raccolto nella parte bassa del serbatoio alla temperatura di circa 150 C e viene nuovamente convogliato al campo solare. Durante la fase di carica, lo strato di materiale solido ad alta temperatura (circa 260 C) è separato dallo strato a bassa temperatura (circa 150 C) da una zona intermedia dove è presente un gradiente termico (il termoclino), che si sposta progressivamente dall alto verso il basso del serbatoio. A titolo esemplificativo, la Figura 8 illustra la tipica evoluzione del profilo di temperatura all interno di un serbatoio a termoclino durante la fase di carica. RELAZIONE GENERALE ILLUSTRATIVA 18

20 Fig. 8: Evoluzione del gradiente di temperatura durante la fase di carica La fase di scarica avviene inviando l olio a bassa temperatura (150 C) proveniente dal modulo ORC nella parte bassa del serbatoio attraverso un opportuno distributore al fine di omogeneizzare il flusso lungo tutta la sezione trasversale del serbatoio. L olio si riscalda a contatto con il materiale solido, che conseguentemente si raffredda, e fuoriesce dall alto del serbatoio, dove viene raccolto e convogliato nuovamente all impianto ORC a circa 260 C. Durante la fase di scarica, il gradiente di temperatura trasla pertanto dalla parte bassa alla parte alta del serbatoio. In un serbatoio a termoclino il maggior contributo all accumulo deriva dalla presenza del materiale solido che occupa gran parte del volume a disposizione, mentre l olio occupa solamente gli spazi vuoti fra i diversi elementi solidi (in tal senso, un importante parametro funzionale è la frazione di vuoto del serbatoio di accumulo). L energia massima accumulabile è pari al prodotto della massa di materiale di accumulo (solido più liquido) per il suo calore specifico e per la differenza di temperatura (110 C in questo caso). Tuttavia, la presenza del gradiente di temperatura sia durante la fase di carica sia durante la fase di scarica impedisce di sfruttare completamente la massa (e quindi il volume) di materiale solido e di olio a disposizione. Vincolando la temperatura minima dell olio in uscita durante la fase di carica alla temperatura prevista in ingresso al campo solare (150 C) e la temperatura massima dell olio in uscita durante la fase di scarica alla temperatura prevista in uscita dal campo solare (260 C), la quota parte di energia termica effettivamente accumulabile rispetto a quella massima è dell ordine dell 80-90%. Tale grado di sfruttamento del volume di accumulo a disposizione aumenta all aumentare dell aspect ratio (rapporto altezza/diametro) del serbatoio. Esso aumenta anche accettando maggiori temperature dell olio in uscita dal fondo del serbatoio durante la fase di carica (fattore che tende a far crescere le perdite termiche nei collettori e nelle tubazioni di trasporto dell olio) e minori temperature dell olio in uscita durante la fase di scarica (fattore che tende invece a ridurre l efficienza di conversione della sezione di potenza). Nel caso dell impianto solare in esame, la sezione di accumulo è stata dimensionata considerando come materiale di riempimento roccia di provenienza locale (granito o carbonato di calcio) per la quale è stata considerata una densità di 2700 kg/m 3 e un calore specifico medio di 0,80 kj/kgk. Al fine di ridurre gli spazi vuoti e quindi il volume di olio richiesto, l accumulo viene realizzato utilizzando sia materiale in granulometria grossolana (circa 5 cm) sia materiale sabbioso (circa 2 mm di dimensione media). Il materiale di riempimento è costituito per l 80% da roccia grossolana e per il 20% da sabbia, con un corrispondente fattore di vuoto di circa il 30%. In relazione al quantitativo di energia termica da accumulare, il volume lordo della zona di accumulo del serbatoio è di circa 237 m 3, dei quali 166 m 3 occupati dal solido (circa 450 t) e 71 m 3 dall olio (circa 62 t a 260 C). Per quanto concerne l olio, è stata considerata una densità di 860 kg/m 3 a 150 C e di 760 kg/m 3 a 260 C. Il serbatoio è stato peraltro dimensionato prevedendo un volume interno maggiore rispetto a quello occupato dal materiale di riempimento in maniera tale da poter far fronte alla variazione di volume dell olio in relazione all incremento di temperatura e da poter ospitare, nel caso, anche l olio diatermico presente nell intero circuito. In tal senso, il volume utile del serbatoio è di 270 m 3 che, in corrispondenza di un aspect ratio unitario, corrisponde ad un diametro di circa 7 m e una pari altezza. Il serbatoio contiene, come detto, circa 450 t di materiale di riempimento e circa 62 t di olio diatermico. Dei 270 m 3 di volume interno, circa 238 RELAZIONE GENERALE ILLUSTRATIVA 19

21 m 3, corrispondenti ad una altezza di circa 6,20 m, sono effettivamente occupati dal materiale di riempimento (ivi compresi gli spazi vuoti destinati ad ospitare l olio diatermico) mentre i restanti 32 m 3, corrispondenti ad una altezza di circa 0,8 m, costituiscono il volume disponibile sopra il materiale di riempimento. In condizioni di serbatoio completamente carico (ovvero olio e materiale di riempimento a 260 C) il livello dell olio risulta pari a circa 6,5 m (ovvero circa 0,3 m sopra il materiale di riempimento). Il volume a disposizione sopra il materiale di riempimento viene pressoché occupato completamente nel momento in cui il serbatoio dovesse accogliere anche l olio diatermico presente nell intero circuito. La Tabella 5 riporta le principali specifiche tecniche del serbatoio di accumulo termico, mentre la Figura 9 fornisce una sua rappresentazione schematica. Energia termica accumulata 14,85 MWh Temperatura operativa massima 260 C Volume interno 270 m3 Diametro interno 7,0 m Altezza interna 7,0 m Diametro esterno 7,8 m Altezza esterna 8,0 m Massa di olio diatermico 62 t Massa di materiale riempimento 450 t Fattore di vuoto 0,30 Tabella 5: Principali dati caratteristici del serbatoio di accumulo Il serbatoio di accumulo è del tipo a tetto fisso, realizzato in acciaio al carbonio e poggia su una fondazione in calcestruzzo opportunamente dimensionata in relazione al carico. Il serbatoio è coibentato con pannelli di lana di roccia (circa 40 cm) rivestiti con lamierino, al fine di contenere la diminuzione di temperatura interna entro 1 C/giorno. Il diametro esterno dei serbatoi risulta pertanto pari a circa 7,8 metri, mentre l altezza complessiva è di circa 8,0 metri. I serbatoi sono dotati di un sistema di iniezione di azoto atto a mantenere un atmosfera inerte sopra il pelo libero dell olio ed evitare fenomeni di ossidazione, nonché di un idoneo sistema di sfiato. L azoto di reintegro viene fornito da un idoneo pacco bombole in pressione. Inoltre è prevista la presenza di tutti i necessari sistemi di sicurezza e di un adeguato sistema antincendio. Infine, in relazione alla natura sperimentale del serbatoio di accumulo a termoclino, è prevista la sua strumentazione attraverso l installazione di una serie di termocoppie (circa 40) per la misura del profilo assiale di temperatura. Fig.9 : Schema del serbatoio di stoccaggio a termoclino RELAZIONE GENERALE ILLUSTRATIVA 20

22 Le norme che regolamentano lo stoccaggio degli oli minerali sono ancora oggi sostanzialmente basate sul Decreto Ministeriale del 31 Luglio 1934 e sulle sue successive modifiche. In relazione alla classificazione prevista dal DM 31 luglio 1934, l olio diatermico utilizzato appartiene alla categoria C (liquidi combustibili), avendo una temperatura di infiammabilità superiore a 125 C. Il deposito può essere classificato come appartenente alla 9 classe, avendo una capacità compresa fra 25 e 1000 m 3. La normativa stabilisce che, per la classe considerata, la zona di protezione, ovvero la distanza minima fra i serbatoio e il recinto di protezione dell impianto deve essere pari a 1,5 metri, la distanza dai fabbricati esterni dai serbatoi deve essere almeno pari a 2 metri e la distanza fra i fabbricati esterni e il perimetro di magazzini e locali deve essere di almeno 3 metri. La distanza fra serbatoi contigui deve essere almeno pari alla zona di protezione, ovvero almeno 1,5 metri. Inoltre, Nel caso di depositi di tipo C, la normativa non prevede espressamente la presenza di un bacino di contenimento. In relazione a tali prescrizioni e per maggior sicurezza, il serbatoio verrà posizionato all interno di un bacino di contenimento in calcestruzzo avente dimensioni in pianta di 13x13 m e con pareti alte 0,7 m. Il volume utile del bacino di contenimento (circa 85 m 3 al netto del volume occupato dal serbatoio stesso) è sufficiente ad ospitare il volume di olio presente nell intero impianto. Il bacino di contenimento è completamente stagno e dotato di pozzetti interni di raccolta, munito di pompa auto-adescante, e con le tubazioni di adduzione e di prelievo che attraversano gli argini del bacino attraverso passaggi opportunamente sigillati. Lo scolo delle acque meteoriche avviene attraverso opportuni canali dotati di valvole comandate dall esterno Stima della producibilità La potenza termica prodotta dal campo solare varia nel corso dell anno in relazione alla variazione della radiazione solare (DNI), della posizione del sole (ovvero dell altezza solare e dell azimut) e della temperatura ambiente. In particolare, la posizione del sole influenza attraverso le componenti trasversali e longitudinali dell angolo di incidenza il rendimento ottico effettivo del campo solare mentre la temperatura dell aria influisce sulle perdite termiche. Peraltro, la potenza termica prodotta dal campo solare in condizioni di funzionamento diverse da quelle di progetto risente del fatto che la superficie degli specchi non è sempre perfettamente pulita, che il sistema di inseguimento presenta piccoli errori di puntamento, etc. Infine, le tubazioni percorse dall olio diatermico non essendo perfettamente isolate verso l esterno, presentano perdite termiche per convezione e irraggiamento. Appare peraltro opportuno osservare che i collettori solari non sono di fatto operativi se la radiazione solare disponibile risulta inferiore ad un prefissato valore minimo (circa W/m2), tale da consentire una produzione elettrica dell impianto ORC sufficiente a coprire i consumi interni. Nel complesso, la Figura 10 riporta la stima dell andamento annuo della potenza termica effettivamente producibile dal campo solare. Fig. 10: Potenza termica prodotta dal campo solare RELAZIONE GENERALE ILLUSTRATIVA 21

23 Come atteso, nei mesi invernali la potenza termica oraria effettivamente producibile dal campo solare risulta frequentemente insufficiente ad alimentare la sezione di potenza a pieno carico (nei mesi da novembre a febbraio, solo raramente essa arriva ai circa 3000 kw richiesti dal modulo ORC). In tali condizioni, l impianto ORC opererebbe a carico parziale e quindi anche con un rendimento inferiore a quello nominale. Tuttavia, la presenza della sezione di accumulo termico può consentire una ottimale gestione dell impianto, operando il modulo ORC a potenze prossime a quelle nominali sebbene per minori intervalli di tempo. Nel complesso, in relazione alla presenza della sezione di accumulo termico, il modulo ORC opererà per gran parte del tempo in condizioni non molto distanti da quelle nominali e pertanto con rendimenti prossimi a quello nominale. In relazione al ruolo della sezione di accumulo termico, la Figura 11 illustra la percentuale di carica del serbatoio di accumulo nel corso dell anno. Come evidenziato dalla Figura 10, a causa del modesto valore del modulo solare, la percentuale di carica del serbatoio solo raramente raggiunge il 100%. Tuttavia, tenuto conto delle finalità dell impianto sperimentale, la disponibilità di un buon margine di carica risulta opportuna ai fini dello studio delle migliori strategie di gestione dell impianto di generazione elettrica. Infatti, una buona riserva di accumulo conferisce all impianto la capacità di produrre notevoli quantitativi di energia elettrica anche in periodi diversi da quelli di elevata insolazione, consentendo all impianto di rispettare prefissati profili di immissione dell energia in rete. Fig.11 : Percentuale di carica del serbatoio di accumulo termico. Come anticipato, il modulo ORC non opererà costantemente a rendimento nominale, sia a causa dei periodi di funzionamento a carico parziale, sia a causa dello scostamento delle condizioni ambientali da quelle di progetto (d estate, l aumento della temperatura dell aria determina un corrispondente aumento anche della temperatura dell acqua di raffreddamento del condensatore e un peggioramento del rendimento del ciclo). In particolare, il rendimento del modulo ORC decresce al diminuire del carico (il rendimento del modulo ORC è del 14% circa in corrispondenza del suo carico minimo, pari a circa il 30% del carico nominale) e all aumentare della temperatura dell acqua di raffreddamento del condensatore (il rendimento del modulo ORC è del 15,5% circa in corrispondenza della massima temperatura dell acqua di raffreddamento del condensatore, pari a 45 C). Nel complesso, la Figura 12 illustra l andamento della potenza netta prodotta dall impianto solare termodinamico. RELAZIONE GENERALE ILLUSTRATIVA 22

24 Fig. 12: Potenza elettrica netta dell impianto solare termodinamico La Figura 13 riporta l andamento medio mensile della produzione di energia elettrica. Nel complesso, su base annua, la produzione elettrica attesa è pari a circa 1283 MWh, corrispondenti a circa 2420 ore equivalenti annue di funzionamento (ovvero alla potenza netta continua di 530 kw). 200 ) se e 180 / m h 160 W 140 (M sile 120 n e100 m ta 80 e n e 60 n zio 40 u d ro 20 P 0 Gen Feb Mar Apr Mag Giu Lug Ago Set Ott Nov Dic Fig. 13: Produzione elettrica media mensile dell impianto solare termodinamico 4.2 Sezione di accumulo elettrochimico e configurazione della micro rete L idea progettuale riguardante lo sviluppo di una micro rete intelligente presso il Consorzio Industriale del Medio Campidano è stata sviluppata sulla base delle informazioni fornite dal Consorzio e dalla Società Villaservice S.p.A, relative alla situazione elettrica degli impianti (consumi, impianti di generazione attivi e da attivare, stime sulla producibilità di biogas da digestione anaerobica e da discarica, contenuto di metano nel biogas etc), e sulla base dei risultati delle misure sui carichi elettrici dell impianto effettuate dal Dipartimento di Energia Elettrica ed Elettronica. Allo scopo di verificare se la producibilità energetica annuale attesa dall insieme dei sistemi di generazione disponibili e dall impianto solare termodinamico sia sufficiente a compensare i consumi registrati nel 2012, è RELAZIONE GENERALE ILLUSTRATIVA 23

25 stata effettuata un analisi energetica del sistema complessivo, che andrebbe a costituire la micro rete proposta. Per la valutazione della fattibilità energetica della micro rete, è stata considerata disponibile la quota parte di biogas prodotto dal processo di digestione anaerobica attualmente non utilizzato e che, come già detto precedentemente, al 2012 è stata pari a circa Nm 3 (corrispondenti ad una portata oraria media di 65 Nm 3 /h). Inoltre, per la valutazione energetica della micro rete si è tenuto conto del contributo del biogas del primo modulo della discarica. A tale scopo sono state utilizzate le stime di biogas estraibile dalla discarica nel periodo , riportate nella relazione tecnica di progetto relativo all impianto di captazione e recupero energetico del biogas di discarica fornite dal Consorzio Industriale di Villacidro. Dai dati, emerge che il quantitativo estraibile nel periodo preso in esame, destinabile al potenziale esercizio della micro rete, sia mediamente pari a 95 Nm 3 /h. Per rispondere alla richiesta del bando relativa all utilizzo della componente termica, si è poi ipotizzato che, grazie all attivazione della rete di teleriscaldamento interna prodotta dall entrata in esercizio dei cogeneratori dell impianto di trattamento del biogas da discarica e proveniente da digestione anaerobica, una frazione del biogas attualmente utilizzato per fornire energia termica ai digestori potesse essere utilizzato per incrementare l alimentazione dei cogeneratori da 1MWe. Inoltre, per minimizzare gli interventi e garantire la continuità di esercizio si è ipotizzato di integrare la caldaia presente con l apporto termico dei cogeneratori, anche a garanzia dell attività di controllo termico del fluido in ingresso ai digestori, già ampiamente collaudato. Si è inoltre stimato che l adozione di tale configurazione per la fornitura di energia termica permetta l utilizzo di una quantità di biogas pari al 20% di quella utilizzata nel Sotto tale ipotesi si rende disponibile una quantità di biogas da digestione anaerobica, riferita alla produzione al 2012, pari a circa Nm 3, che verrebbe destinato alla produzione di energia elettrica e termica. Inoltre, in tale configurazione la portata oraria media annuale con la quale alimentare il cogeneratore raggiungerebbe i 90 Nm 3 /h. Per la conversione energetica del biogas da discarica e del biogas eccedente da digestione anaerobica si è ipotizzato l utilizzo dei due sopracitati cogeneratori alimentati ciascuno da un diverso tipo di biogas. Ciò sia per motivi di tipo impiantistico che di contabilizzazione, ai fini del riconoscimento della tariffa incentivante da parte del GSE. Sotto le ipotesi sopra descritte e riassunte in Tabella 6, è stato elaborato il bilancio energetico elettrico annuale che l impianto assumerebbe. I dati riepilogativi del bilancio energetico elettrico sono riportati nella Tabella 7. Da questa si evince che, sulla base delle stime effettuate, il raggiungimento di un bilanciamento energetico elettrico con un integrazione dei sistemi presenti nel sito in esame è possibile. Inoltre, la potenza resa disponibile dal collegamento dell impianto solare termodinamico e dai due generatori consentirebbe un potenziale sfruttabile, quando disponibile, pari a kw. Tabella 6: Ipotesi effettuate per lo sviluppo del Bilancio Energetico Elettrico.(Fonte: Villaservice spa) Generazione Elettrica integrativa da Biogas da digestione anaerobica Stima Biogas disponibile al Nm 3 Tenore di metano del Biogas 70% Portata oraria media annua stimata 65 Nm 3 /h Portata minimo tecnico 85% ore anno Gruppo di generazione utilizzabile Gruppo Jenbacher JMS 320 #1 Potenza Nominale del gruppo 1063 kw Efficienza di conversione elettrica 35% Utilizzo dell impianto cogenerativo SI Volume del gasometro disponibile 1500 Nm 3 Generazione Elettrica da Biogas da discarica Stima annua Biogas disponibile Nm 3 Tenore di metano del Biogas 45% Portata oraria media annua stimata 95 Nm 3 /h Portata minimo tecnico 70% ore anno RELAZIONE GENERALE ILLUSTRATIVA 24

26 Potenza Elettrica netta Gruppo Jenbacher JMS 320 #2 Potenza Nominale del gruppo 1063 kw Efficienza di conversione elettrica 35% Utilizzo dell impianto cogenerativo SI Volume del gasometro disponibile 5000 Nm 3 Utilizzo dell impianto cogenerativo SI Generazione Solare Temodinamico Potenza netta 550 kw Producibilità attesa 2300 ore Disponibilità di biogas per effetto della cogenerazione Utilizzo del calore di cogenerazione integrazione della caldaia esistente Percentuale di biogas utilizzato per produzione energia termica rispetto ai valori del % Stima biogas disponibile grazie a integrazione termica per gruppo #1 additivo a quello già previsto Nm 3 Tabella 7 : Bilancio Energetico Elettrico.(Fonte: Villaservice spa) Produzione di energia elettrica da biogas di discarica Produzione di energia elettrica da solare termodinamico Produzione di energia elettrica da biogas proveniente da digestione anaerobica Producibilità Attesa [MWh] 1.310, ,5 Totale senza cogenerazione 3.972,2 Applicazione Cogenerazione 511,5 Totale con cogenerazione attiva 4.483,7 Consumi stimati (2012) 4.330,2 Inoltre, allo scopo di verificare la qualità della fornitura di energia elettrica da parte dell Ente distributore e di caratterizzare l evoluzione dinamica dei carichi elettrici presso il sito oggetto del presente studio e avviare conseguentemente il dimensionamento della micro rete, il Dipartimento di Ingegneria Elettrica ed Elettronica dell Università degli Studi di Cagliari ha effettuato una campagna di misure, nel periodo compreso tra il 04/07/2013 al 22/07/2013. Essa ha permesso di monitorare la tensione e la frequenza di fornitura e di determinare il diagramma di carico dell impianto per un periodo di 15 giorni con una risoluzione temporale dell acquisizione di un minuto, sufficiente a valutare la possibilità di realizzare una micro rete. I risultati delle misure condotte hanno evidenziato che durante il periodo di svolgimento della campagna di misura il profilo delle tensioni misurate nel punto di consegna è stato sufficientemente stabile, con fluttuazioni conformi alla EN Anche la forma d onda della fornitura in media tensione risulta entro i limiti cosi come la componente inversa della tensione. L analisi dell evoluzione della frequenza di fornitura della tensione di alimentazione nel periodo di monitoraggio si è sempre mantenuta all interno dell intervallo 49,75 Hz 50,15 Hz ed è quindi del tutto compatibile con i limiti di variabilità indicati nella norma EN Pertanto sulla base delle misure effettuate la qualità della fornitura di Media Tensione risulta essere idonea allo sviluppo di una rete intelligente. RELAZIONE GENERALE ILLUSTRATIVA 25

27 L analisi dei diagrammi di carico sul lato media tensione ha rilevato un evoluzione nel tempo dei carichi elettrici particolarmente articolata e caratterizzata da una notevole variabilità in termini sia quantitativi che dinamici, dovuta all inserzione e disinserzione degli idropolpatori. Inoltre, dall analisi è risultato che nell intero periodo di monitoraggio non sono state osservate immissioni in rete, evidenziando un funzionamento in autoconsumo istantaneo dell attuale produzione di energia elettrica da biogas. L analisi delle evoluzioni nell arco dell intero periodo di monitoraggio ha messo in luce la presenza di repentine variazioni di carico assimilabili a variazioni di carico a gradino di entità compresa tra i 400 e i 500 kw. Tali variazioni repentine nell assorbimento della potenza attiva sul lato MT non sono assimilabili ad una variazione di carico ma sono probabilmente dovute ad una disconnessione nella fornitura di energia da parte del generatore alimentato dal biogas del digestore anaerobico. È quindi importante sottolineare che la fattibilità della proposta descritta così come il dimensionamento della batteria sono strettamente legati alla risoluzione delle anomalie di gestione elettrica del generatore del digestore anaerobico e quindi all eliminazione dei fenomeni di inserzione e disinserzione del motore primo. Altro elemento tecnico da porre in rilievo per lo sviluppo della micro rete è l evoluzione della potenza reattiva. Infatti la campagna di misura ha evidenziato la presenza di un consistente assorbimento di potenza reattiva di tipo induttivo. Inoltre in diverse occasioni si è registrato un comportamento anomalo nell assorbimento della potenza reattiva a cui è corrisposto, secondo le ipotesi fatte, un successivo distacco del generatore. Da quanto riportato emerge che durante la fase di progettazione esecutiva debbano essere preliminarmente individuate le soluzioni impiantistiche per la risoluzione delle problematiche sopra evidenziate. Questo rappresenta un condizione propedeutica per poter procedere alla corretta progettazione e al successivo esercizio della micro rete Configurazione della micro rete Lo studio preliminare ha evidenziato la presenza nei diagrammi di carico di rapide fluttuazioni della potenza attiva imputabili al funzionamento degli impianti e in particolare degli idropolpatori. La configurazione della micro rete, pertanto, deve includere dispositivi capaci di rispondere a tali richieste con dinamiche particolarmente elevate. A tale scopo si è ritenuto opportuno dotare il sistema energetico elettrico in esame di una batteria elettrochimica. Sotto tale ipotesi la struttura energetica elettrica dell impianto in oggetto assumerebbe, in termini di schema a blocchi, la configurazione riportata in Figura 14. RELAZIONE GENERALE ILLUSTRATIVA 26

28 Fig. 14. Schema a blocchi del sistema energetico elettrico L obiettivo della configurazione impiantistica proposta è quello di realizzare un istantaneo bilanciamento tra le potenze generate e le potenze richieste e, in presenza di un eccedenza di potenza, di avere la possibilità, tramite l utilizzo dei diversi sistemi di accumulo, di immettere potenza elettrica in rete con un profilo di immissione regolabile e di entità costante. Come evidenziato nella Figura 14, il sistema di supervisione e controllo svolge un ruolo fondamentale, nel raggiungimento degli obiettivi di integrazione energetica e di realizzazione del bilanciamento istantaneo tra flussi di potenza generati e utilizzati e rappresenta uno degli elementi fondamentali di sperimentazione della configurazione proposta Il sistema di accumulo elettrochimico La tipologia e le dimensioni del sistema di accumulo elettrochimico sono state definite sulla base di alcune simulazioni preliminari eseguite per un periodo di due settimane, sulla base delle misure effettuate dal Dipartimento di Ingegneria Elettrica ed Elettronica sui carichi dell impianto di trattamento rifiuti per il periodo 8-21 Luglio 2013 e delle stime di producibilità dell impianto solare termodinamico eseguite dal Dipartimento di Ingegneria Meccanica. La scelta della tecnologia di accumulo elettrochimico più adatta per l applicazione proposta è stata effettuata tenendo conto della e soluzionei economicamente più vantaggiosa e che avesse i requisiti dinamici necessari per realizzare gli obiettivi sopra riportati. e per quando riguarda i sistemi di accumulo elettrochimici In questo caso, le tecnologie più adatte sono rappresentate dalle batterie al sodio ad alta temperatura (NaS) e da quelle al vanadio a circolazione di elettrolita (VRB). La tecnologia NaS, tuttavia, presenta diversi problemi dal punto di vista della sicurezza. Lo zolfo, infatti, tende ad incendiarsi spontaneamente poiché è instabile a contatto con l aria, dando luogo anche a esplosioni spontanee. Per tali ragioni si è preferito optare per la soluzione che utilizza la tecnologia delle batterie redox al vanadio (VRB). Una batteria redox al vanadio permette di immagazzinare energia chimica e generare energia elettrica per mezzo di reazioni di ossido-riduzione reversibili (redox) che avvengono sulla superficie degli elettrodi tra gli ioni di vanadio dissolti negli elettroliti. Tale tipologia di batterie è essenzialmente costituita da due elementi chiave: le celle elettrochimiche, dove l energia chimica è convertita in energia elettrica attraverso un processo reversibile; e i serbatoi degli elettroliti, dove l energia è accumulata (si veda lo schema riportato in Figura 15). Fig. 15 Schema di funzionamento di una batteria VRB Le due semicelle sono collegate ai serbatoi di riserva dell elettrolita, che viene fatto circolare attraverso la cella con apposite pompe durante i processi di carica/scarica. L energia elettrica fornita dall esterno viene immagazzinata sotto forma di variazione nella valenza degli ioni di vanadio disciolti nell elettrolita. Durante il processo di scarica, l energia immagazzinata viene rilasciata per mezzo della reazione inversa. Il potenziale di cella è di circa 1.26 V. RELAZIONE GENERALE ILLUSTRATIVA 27

29 I principali vantaggi di questo tipo di tecnologia possono essere così riassunti: la reazione chimica alla base del processo di carica/scarica consiste semplicemente nel cambiamento della valenza degli ioni di vanadio nell elettrolita, senza coinvolgere l elettrodo che risulta perciò chimicamente inattivo. Questo consente di ottenere un numero di cicli di vita (circa & 20 anni) più elevato rispetto ad altri tipi di batterie, come quelle agli ioni di litio che sono soggette nel corso del tempo ad un elevato degrado sia in termini di efficienza che di capacità; la potenza e la capacità nominale sono indipendenti l una dall altra poiché la potenza è definita dalle dimensioni e dal numero delle celle mentre la capacità è determinata dalla quantità di elettrolita accumulato e quindi dal volume dei serbatoi. Ciò permette quindi di dimensionare le batterie in modo ottimale, ottenendo il rapporto energia/potenza più adatto per la specifica applicazione; lo stato di carica (SOC) della batteria può essere monitorato semplicemente misurando il potenziale elettrico dell elettrolita. Ciò consente inoltre di conoscere lo SOC in ogni istante del processo di carica/scarica; le batterie vanadium redox sono adatte a compensare fluttuazioni rapide e irregolari sia dei carichi che dei sistemi di generazione FRNP, in quanto caratterizzate da risposte dell ordine dei millisecondi (<50 ms per passare dalla potenza massima in scarica a quella massima in carica). Inoltre possono essere caricate e scaricate per brevi periodi di tempo con potenze fino ad alcune volte quella nominale.; l efficienza di conversione rimane costante per tutta la vita utile della batteria; possono essere ricaricate istantaneamente tramite la sostituzione dell elettrolita contenuto nei serbatoi. Gli svantaggi delle batterie VRB sono i seguenti: i serbatoi dell elettrolita occupano grandi volumi e ciò comporta una densità energetica relativamente ridotta (circa 100 Wh/kg) rispetto alle tecnologie di batterie più avanzate, come le NaS (786 Wh/kg) e quelle agli Ioni di litio (circa Wh/kg); è necessaria la presenza delle pompe per la circolazione dell elettrolita nelle celle, che danno luogo a perdite parassite. l efficienza energetica (66%-80%) non è molto elevata rispetto, ad esempio, alle batterie agli ioni di litio. Nonostante alcuni svantaggi, le caratteristiche peculiari di questa tecnologia, rendono le batterie VRB particolarmente adatte per diverse applicazioni, come il load levelling, l accumulo di emergenza, la regolazione di frequenza, il supporto alla rete durante i buchi di tensione, la compensazione e l integrazione sia con impianti a energia rinnovabile, quali eolico e fotovoltaico, sia con carichi intermittenti e fortemente variabili. Inoltre, le prestazioni di questo tipo di sistemi di accumulo elettrochimico non sono state ancora pienamente testate all interno di micro reti industriali del tipo in esame. Pertanto la loro installazione, insieme a quella delle batterie al sodio ad alta temperatura (NaNiCl) prevista presso la sede di Ottana, consentirà di avere in Sardegna delle installazioni di elevato interesse scientifico per la sperimentazione di questo tipo di accumulo dell energia. Come sopra accennato, il dimensionamento del sistema è stato effettuato sulla base degli esiti delle simulazioni preliminari, svolte per diversi periodi dell anno, le quali a loro volta si sono basate su stime della producibilità dell impianto solare termodinamico e sono subordinate a modalità ottimali di utilizzo del biogas a disposizione nei diversi sistemi presenti, concordate con il Consorzio Industriale e la società Villaservice S.p.A. Il dimensionamento ottimale dell impianto di accumulo, determinato sulla base dei risultati delle simulazioni e delle taglie commerciali delle batterie VRB sul mercato, è riassunto in Tabella 8. RELAZIONE GENERALE ILLUSTRATIVA 28

30 POTENZA CAPACITÀ 250 kw 500 kwh Tabella 8: Principali dati caratteristici del serbatoio di accumulo Inoltre le simulazione condotte hanno permesso di verificare la possibilità di realizzare in termini dinamici la micro rete con i dispositivi già presenti, in termini di cogeneratori e di sistemi di accumulo chimico e termico. In particolare, le simulazioni hanno permesso di valutare e verificare la realizzazione del disaccoppiamento tra le dinamiche energetiche rapide da quelle più lente e di entità maggiori. 4.3 Sistema di controllo Data la molteplicità dei generatori di energia elettrica presenti nell impianto e la presenza di diversi sistemi di accumulo sarà necessario sviluppare un sistema di supervisione e controllo che sia in grado di coordinare e gestire i flussi di energia elettrica da e verso la rete di distribuzione, ripartendoli opportunamente fra le diverse unità costituenti l impianto integrato. Il sistema di supervisione e controllo proposto si articola nei seguenti livelli: un primo livello, nel quale si definisce con un giorno di anticipo sia il profilo di produzione dell impianto integrato sia l evoluzione dell accumulo energetico delle singole unità, basandosi su criteri tecnicoeconomici, banche dati disponibili, modelli previsionali di produzione e consumo, sulle previsioni meteorologiche del sito e sulla stima degli errori previsionali; un secondo livello, in corrispondenza del quale si effettua un controllo in tempo reale e si verifica la possibilità di compensazione degli errori previsionali con i sistemi di accumulo e l eventuale aggiornamento dei profili di produzione e accumulo sintetizzati il giorno prima; un terzo livello, costituito dai sistemi di controllo delle singole unità, i quali potranno operare indipendentemente l uno dell altro, in quanto il loro coordinamento sarà gestito direttamente dal II livello. I dettagli del sistema di controllo saranno definiti in una sede successiva di progettazione. 5. FATTIBILITA DELL INTERVENTO La fattibilità dell intervento è documentata attraverso i risultati e gli esiti delle relazioni specialistiche, facenti parte di questo progetto preliminare a cui si rimanda e che nello specifico sono: 1. Relazione Idrologica, Idraulica, Geologica, Idrogeologica e Geotecnica ALL. RS01 Riporta la relazione geologica e di caratterizzazione geotecnica redatta i conformità alle norme vigenti; la relazione inquadrata geologicamente l area di installazione degli impianti ne analizza gli aspetti geomorfologici e idrogeologici. Viene quindi effettuata la caratterizzazione geotecnica e geomeccanica dei terreni interessati dalla realizzazione delle opere. Non vengono rilevati problemi di stabilità dei versanti e da quanto riportato in relazione non si rileva alcun tipo di problematica dal punto di vista idrogeologico; i terreni di facile scalabilità e facilmente riutilizzabili nel ambito delle necessità dei cantieri sono idonei alla fondazione delle opere in oggetto termini di portanza e caratteristiche generali geomeccaniche. RELAZIONE GENERALE ILLUSTRATIVA 29

31 2. Studio di prefattibilità ambientale ALL. RS02 Tutte le fasi con cui si articola il processo realizzativo dell impianto proposto concorrono nella determinazione dei fattori di impatto ambientale scaturiti direttamente dalle fasi di cantiere e di esercizio, i quali emergono anche e soprattutto in funzione delle scelte progettuali. Sulla base del progetto di massima illustrato nella relazione specifica, le parti di impianto che potrebbero determinare criticità per l ambiente e i cittadini sono riportati nella seguente tabella: Componente impiantistica/sorgente Fattore inquinante Corpo ricettore Campo solare Sezione di accumulo termico Apparecchiature per la movimentazione di fluidi. Sezione di potenza Sistema di accumulo elettrochimico Sistema di gestione integrato dell energia elettrica prodotta dall impianto CSP e dell energia prodotta dagli impianti di produzione biogas di Villaservice ai fini dell ottimizzazio ne in fase di distribuzione dell energia complessiva prodotta. Cantierizzazione e fasi di attuazione Moduli a specchi basculanti installati sul suolo. Apparecchiature per l accumulo di calore Rumore Turbina ORC Sistemi di raffreddamento e/o trasporto di calore Batterie redox al Vanadio. Apparecchiature per l utilizzo di software di gestione di impianti elettrici. Distribuzione energia Lavori di movimento terra - Produzione di Polveri Costruzione di opere edili e strade Utilizzo del suolo Utilizzo di sostanze pericolose Utilizzo di sostanze pericolose. Utilizzo del suolo. Aria Rumore Utilizzo dell acqua Emissioni in atmosfera Utilizzo di sostanze pericolose Utilizzo del suolo Utilizzo del suolo Emissioni in atmosfera Rumorosità Suolo Suolo Acqua Aria Acqua Suolo Acqua Suolo RELAZIONE GENERALE ILLUSTRATIVA 30

32 3. Studio di prefattibilità acustica ALL. RS03 I dati ottenuti attraverso la campagna di indagini effettuate in loco conducono a ritenere che l attività dell impianto solare termodinamico in progetto non comporterà alcuna immissione di interesse, per gli aspetti stabiliti dalla norma, in quanto le stesse risultano notevolmente inferiori al limite minimo più severo per l applicazione del valore limite differenziale di immissione, stabilito in 40 db(a) durante il periodo di riferimento notturno (22,00 06,00) dall art.4, comma 2 del DPCM 14/11/1997 e quindi nel pieno rispetto delle prescrizioni di cui ai Piani di Classificazione Acustica dei Comuni di Villacidro e San Gavino Monreale. Stesso discorso vale per il traffico veicolare, che essendo dovuto prevalentemente dal personale destinato al controllo dell impianto non comporta alcun sensibile incremento né sulla media dei veicoli transitanti, tanto meno sulla rumorosità indotta dal flusso veicolare della zona. 4. Studio di compatibilità con i vincoli archeologici, storici, artistici e paesaggistici ALL. RS04 L indagine archeologia preliminare condotta ai sensi dell art. 95 del codice degli appalti, esclude la presenza di emergenze archeologiche 6. RELAZIONE TECNICA IMPIANTO TERMODINAMICO E DIMENSIONAMENTO La relazione, allegato RS05, predisposta dal Dipartimento di Ingegneria Meccanica dell Università di Cagliari (Prof. Ing. Giorgio Cau - Prof. Ing. Daniele Cocco) nell ambito della collaborazione scientifica con Sardegna Ricerche, descrive e giustifica le scelte progettuali effettuate nei riguardi sia della tipologia dei sistemi di collettori solari, delle tipologie e caratteristiche del sistema di accumulo termico e della sezione di potenza. Viene individuato come impianto più idoneo alle condizioni di esercizio e di sperimentazione un impianto costituito dalle tre sezioni: - campo solare, basato su collettori lineari Fresnel che nel loro insieme concentrano la radiazione solare su un tubo ricevitore all interno del quale scorre olio diatermico; - sezione di accumulo termico, realizzata mediante due serbatoi di stoccaggio dell olio diatermico ad alta e a bassa temperatura. - sezione di potenza, basata su impianto a ciclo Rankine percorso da un fluido organico (Organic Rankine Cycle, ORC). Nel documento vengono opportunamente dimensionati i tre sistemi al fine del raggiungimento degli obiettivi posti alla base della sperimentazione. La potenza netta dell impianto è pari a 530 kw e l energia annualmente producibile pari a MWh. 7. RELAZIONE TECNICA SULLA SPERIMENTAZIONE REQUISITI DEL SISTEMA DI SUPERVISIONE E CONTROLLO DIMENSIONAMENTO DELL ACCUMULO ELETTROCHIMICO La relazione allegato RS06, predisposta dal Prof. Ing. Alfonso Damiano del Dipartimento di Ingegneria Elettrica ed Elettronica dell Università di Cagliari individua gli obiettivi strategici della sperimentazione: dimostrare da un punto di vista tecnico ed economico la validità di utilizzo dei sistemi di generazione di energia elettrica di tipo solare termodinamico di piccola taglia per la stabilizzazione di sistemi elettrici di distribuzione in presenza di una forte penetrazione di impianti di produzione di energia elettrica da fonti rinnovabili di tipo non programmabile. Vengono individuate le ragioni della scelta della tipologia di impianto sperimentale da realizzare e gli obiettivi raggiungibili con il solare termodinamico da 600 kwe con accumulo termico di 14.6 MWht; accumulo elettrochimico di 0.5 MWhe. Vengono descritti sinteticamente gli schemi per lo sviluppo del controllo del processo di produzione energetica che permetterebbe la definizione anticipata dei profili di immissione dell energia prodotta. La possibilità di fornire profili programmabili di produzione energetica per il supporto alla rete elettrica avrà sicuramente un notevole sviluppo nel futuro e potrà condizionare la remunerabilità degli impianti da fonti rinnovabili. Sono quindi analizzati i benefici che derivano dalla sperimentazione dell utilizzo di un impianto solare termodinamico a concentrazione e dei sistemi di accumulo elettrochimico associati. RELAZIONE GENERALE ILLUSTRATIVA 31

33 8. RELAZIONE ELETTROTECNOLOGICI E AUTOMAZIONE La relazione, allegato RS07 e le Tavv. TOE01-TOE02-TOE03-TOE04-TOE05 contengono lo studio e il calcolo di tutti gli impianti elettrici necessari per la realizzazione delle opere. 9. RELAZIONE SISTEMI E PRESIDI ANTINCENDIO Nella relazione specialistica, allegato RS08, sono indicate in dettaglio le problematiche affrontate relativamente al pericolo d incendio e i provvedimenti assunti descritti nella Tav. TOE OPERE CIVILI La presente relazione riguarda gli edifici, la viabilità, le infrastrutture idriche e fognarie relative ad un impianto termodinamico solare sperimentaleda realizzarsi nell area industriale di Villacidro. Le opere civili previste sono costituite da 2 edifici (uffici sala controllo e edificio turbina), da una recinzione, viabilità interna, opere per lo smaltimento delle acque meteoriche che nella presente relazione verranno brevemente descritte le opere summenzionate. Edifici Nella zona posta a est dell area, dalla parte opposta all ingresso è prevista la realizzazione di un edificio dedicato all ORC e alla sala controllo. Quest ultimo è stato inserito in un'area relativamente distante dall impianto solare termodinamico, in particolare dal serbatoio olio diatermico e edificio turbina che sono a rischio incendio. L area sarà dotata di una zona parcheggi e sarà collegata da una viabilità interna con il resto dell'impianto. L edificio ORC è da considerarsi funzionale all impianto termodinamico poiché contiene la turbina a fluido organico accoppiata al generatore elettrico. Tale edificio è stato progettato al fine di garantire elevate capacità fonoassorbenti (prestazione acustica R W>40 dba), elevata resistenza al fuoco (REI 120) ed un adeguato ricambio d aria. Per tutti gli edifici la progettazione ha riservato una certa cura architettonica nella definizione dei volumi; l impiego di elementi prefabbricati è previsto per l edificio ORC mentre per la sala controllo si è pensato ad una struttura portante da realizzare in c.a. gettato in opera. Gli edifici hanno entrambi una forma rettangolare con ingombro complessivo rispettivamente di circa 20x8m e 10x5m ed un altezza fuori terra rispettivamente di m 7,65 e m Recinzioni e viabilità interna La recinzione realizzata in rete e paletti ha un altezza di m 1.90 fuori terra, ancorata ad una fondazione in c.a. corre per tutto il perimetro esterno dell area ed ha uno sviluppo lineare di circa m 900. All ingresso è previsto un cancello in acciaio zincato a caldo scorrevole su monorotaia.è prevista la sistemazione del campo specchi secondo una superficie pressoché orizzontale e la sua pavimentazione con uno strato di misto granulometrico rullato dello spessore di cm 10 a sotto il quale è previsto un drenaggio per consentire il veloce smaltimento delle acque meteo dall area occupata dal campo solare. La viabilità interna è costituita da una strada in macadam avente larghezza comprensiva delle cunette trapezie in c.a. transitabili di m 4.00 per consentire il passaggio dei mezzi dei VV.FF. Opere idrauliche All interno del progetto è prevista la realizzazione di tre condotte: acqua potabile, acqua industriale e acque reflue. La tubazione dell acqua potabile ha la funzione di servire un bagno situato all interno dell edificio di alloggiamento della turbina. L acqua industriale ha invece lo scopo di alimentare la riserva idrica da 216 mc della rete antincendio e per il lavaggio degli specchi. Si prevede di allacciare le due nuove tubazioni (potabile e industriale) a due condotte esistenti, in materiale polietilene, che costeggiano la recinzione degli impianti della VillaService S.p.A., ed alimentate da un contatore situato all interno degli stessi impianti. La pressione della rete potabile è più che sufficiente a garantire l approvvigionamento del bagno della turbina, invece, RELAZIONE GENERALE ILLUSTRATIVA 32

34 poiché la rete industriale è alimentata a gravità da serbatoi situati nelle montagne di Villacidro, in fase esecutiva di dovrà procedere ad una verifica della pressione di tale rete anche in funzione della tipologia di apparecchiature utilizzate per il lavaggio degli specchi. Le due nuove tubazioni avranno gli stessi diametri e materiali delle condotte esistenti, e saranno posate interrate; si prevede di attraversare il canale consortile all interno di una tubazione in metallo, realizzata con il metodo dello spingitubo, all interno del quale saranno alloggiate anche le altre reti. Per lo smaltimento delle acque reflue è prevista la posa di una tubazione in PVC di collegamento alle rete fognaria della VillaService S.p.A. e di una stazione di sollevamento prefabbricata, situata nelle vicinanze dell edificio della turbina, necessaria al superamento dell orografia del terreno. Per quanto riguarda la rete di raccolta e smaltimento delle acque meteoriche è prevista la realizzazione di una piccola rete di drenaggio che ha come recapito finale in canale Consortile situato sul confine dell impianto. La rete è composta da due rami, che seguono l andamento planimetrico delle strade, costituita da due tubazioni in Pe.A.D. strutturato conformi norma UNI EN tipo SN per condotte di scarico interrate di acque civili e industriali; la distanza massima tra due pozzetti successivi è di 30 m. La prima tubazione ha lo scopo di raccogliere le acque meteoriche provenienti da un piccolo bacino situato sul lato ovest degli impianti, mentre la seconda canaletta raccoglie la maggior parte delle acque meteoriche all interno dell impianto. 11 ACQUISIZIONE DELLE AREE Le aree su cui realizzare l intervento, tutte ricomprese all interno della zona industriale, sono per circa l 88% di proprietà privata e ricadono al NCT nel foglio 101 del Comune di Villacidro. La loro acquisizione, da parte del Consorzio, in qualità di soggetto pubblico, potrà avvenire attraverso la procedura espropriativa da avviare, ai RELAZIONE GENERALE ILLUSTRATIVA 33