Progettazione e valutazione economica di impianti per processi produttivi e climatizzazione in Sicilia

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1 Progettazione e valutazione economica di impianti per processi produttivi e climatizzazione in Sicilia Giuseppe Lombardo 11 Feb 2014 Grande Hotel delle Terme Termini Imerese

2 Attività impiantistiche Valorizzare le risorse geotermiche nelle 4 Regioni di Convergenza tenendo conto del fabbisogno termico e del tessuto produttivo locale Soluzioni impiantistiche per: produzione di energia elettrica; climatizzare edifici pubblici; fornire calore a processi produttivi Attività progettuali: Geologia (individuazione e valutazione risorsa geotermica) Fisica tecnica (analisi dei fabbisogni energetici) Ingegneria (progettazione impianti) Economia (valutazione della fattibilità tecnica/economica)

3 Flusso di lavoro Interdisciplinare in ogni zona di intervento Individuare e valutare della risorsa geotermica Analizzare fabbisogno energetico Individuare impianto Simulare funzionamento tecnico/economico e studiare impatto ambientale e norme autorizzative Soluzione impiantistica più idonea per valorizzare il tessuto produttivo locale con la risorsa geotermica presente

4 Tipologie di impianti tipici di utilizzo della risorsa geotermica Risorsa con T > 120 C Risorsa con 60 < T < 120 C Risorsa con 20 < T < 60 C Scambiatore di calore e/o Sistema ORC/Binario Scambiatore di calore e/o Pompa di calore (circuito aperto) Scambiatore di calore e/o Pompa di calore (circuito aperto/chiuso)

5 Le 8 aree di intervento nella 4 Regioni di convergenza Impianti per processi produttivi Terme di Caronte: depurazione di acque reflue (processo di essiccamento fanghi) ( T geo = 17 C, T processo = 80 C (pompa di calore + motore co-generazione) Santa Cesarea: produzione di pasta, processo di essiccamento a bassa temperatura (T = T geo = 30 C, T processo = 50 C) e ad alta temperatura (T geo = 85 C, T processo =120 C) (pompa di calore) Climatizzazione edifici pubblici tramite pompe di calore geotermiche e/o scambiatore diretto Rende (T geo = 17 C circuito chiuso + pdc) e Bari (T geo = 20 C, circuito aperto + pdc), Mondragone (T geo = C circuito aperto + sc e/o pdc) Impianto per riscaldamento piscina termale Mondragone (T geo = 33 C scambiatore di calore) Impianto pilota per produzione di energia elettrica Guardia Lombardi (T geo = 130 C impianto ibrido )

6 Impianti proposti per la Sicilia Impianti per processo produttivo: Termini Imerese: dissalatore di acqua di mare a processo evaporativo MED (T geo = 40 C, T processo = 75 C (sc + pompa di calore); Impianto di teleriscaldamento e/o utilizzo del calore in cascata per processi produttivi Mazara del Vallo ( T geo = 92 C sc + pompa di calore)

7 Impianti geotermici per alimentare processi produttivi Proposta progettuale Impianto geotermico per alimentare processo di dissalazione di acqua di mare; zona: Termini Imerese Processo di dissalazione: Processo termico evaporativo a multipli effetti (MED): produce circa il 10% dell acqua dissalata al mondo ma è il più utilizzato per essere alimentato da FER acqua per utilizzi civili, agricoli ed industriali

8 Principio di funzionamento del processo evaporativo MED acqua di mare pre riscaldata riscaldata Acqua di mare in uscita T = 36 Sorgente di calore Vapore Condensato Acqua di mare in ingresso T = 27 C Acqua distillata evaporazione condensazione successive

9 Proposta impiantistica acqua di mare a 27 m& = 750 t/h T out out = 80 C &m = 1500 t/h Pdc T in Dissalatore MED a vapore a 75 a a 0.4 bar in = 34 C &m = 240 t/h Scambiatore di calore (1.5 MWt) per fluido geotermico Scambiatore di calore (4.3 MWt) per acqua di mare &m = 65 t/h T = 40 C &m = 180 t/h T = 36 C acqua di mare a 27 m& = 430 t/h Acqua Distillata &m = 90 t/h Salamoia &m = 230 t/h Ottimizzazione del recupero termico del processo: 1. Estrazione calore dal fluido geotermico 2. Estrazione calore dall acqua acqua di mare non distillata

10 T cond = 80 C Proposta impiantistica (2) COP = 3.0 T evap = 34 C T mare = 36 C P evap = 5.8 KWt P mare = 4.3 KWt P geo = 1.5 KWt T geo = 40 C T in P in in = 75 C in = 8720 KW t

11 Proposta impiantistica (3) Impianto a pompa di calore per alimentare processo MED Pompa di calore tailor made: T in (sorgente fredda): 34 C; T out (sorgente calda): 80 C; Potenza termica fornita: 8720 KW; COP: 3.0; Impianto MED (Officine Reggiane - Demont): Produzione acqua distillata: 90 t/h T vapore : 75 C a pressione 0.4 bar; Potenza termica processo: 8720 KW ore di funzionamento: 8000 h/anno;

12 Fabbisogno energetico Fabbisogno termico = MWh Fabbisogni elettrici = % pompa di calore 93% da pompa di calore 7 % altri componenti Risparmio energetico rispetto ad sistema convenzionale sistema convenzionale 35 %

13 Costo impianto Costo investimento stimato in K Dissalatore K Pompa di calore da KW: K Circuito geotermico 250 K Opera di presa/scarico acqua di mare 150 K Componentistica meccanica elettrica, elettronica: K Opere civili: 700 K Attività di ingegneria: K Differenza rispetto impianto convenzionale di K

14 Ricavi: Certificati bianchi: 221K /anno (7,47 /MWh per cinque anni); Mancato acquisto gas per caldaia (46,88 /MWh): K Costi: Redditività della soluzione (1) Acquisto energia elettrica dalla rete (135 /MWh) : 2978 K MOL = 877 K

15 Redditività della soluzione (2) 6'000'000 4'000'000 PRA: 6.96 anni VAN: TIR: 15.9% 2'000'000 K 0-2'000'000-4'000'000-6'000' Flusso di cassa attualizzato 4'736'0 3'900'5 3'104'9 2'347'1 1'625'5 938' '547 17' ' '916 1'287'76 1'671'42 2'036'81 2'384'80 2'716'22 3'031'86 3'332'47 3'618'76 3'891'42 4'151'10 4'398'41 4'633'94 4'858'26 5'071'90 5'275'36 Anni

16 Costo a m 3 di acqua Produzione = m 3 /anno Fabbisogno elettrico PdC = MWh/anno Consumo elettricità = 34 KWh/m 3 (costo elettricità di 135 /MWh) Costo effettivo a m 3 = 4.6 se fabbisogno elettrico fosse = MWh/anno costo a m 3 = 2 euro

17 Impianto di Teleriscaldamento (TLR) Mazara del Vallo (TP) Comune costiero di ab. Estensione di 275 Km 2 Densità media ab.: 190 ab/km 2

18 Impianto di teleriscaldamento (2) Localizzazione: Pozzo ipotizzato di prelievo del fluido geotermico per la rete TLR (produzione): T = Km Q = 110 t/h Pozzo ipotizzato di reinizione del fluido geotermico per la rete TLR: T = Km Q = 110 t/h

19 Impianto di teleriscaldamento (3) Mezzeria dorsale rete di TLR Centrale Geotermica Max fabbisogno termico mc

20 Due possibili soluzioni di impianto di TLR 1. Impianto di TLR con: produzione centralizzata di energia termica (acqua calda di 90 C in mandata ); produzione decentrata di acqua gelida (acqua a 6 C in mandata) presso le utenze; 2. Impianto di TLR con: produzione centralizzata sia di energia termica che energia frigorifera rete di teleraffreddamento risulta molto onerosa economicamente e tecnicamente poco praticabile rispetto ad una sola rete di Teleriscaldamento studio solo del CASO 1

21 CASO 1 Un impianto di TLR con produzione di acqua calda in centrale geotermica Inverno: fornitura di acqua calda a 90 C e ritorno in rete di 65 C. Ciò permette di riscaldare ambienti e fornire acs. Estate: acqua calda a 90 C alimenterà gruppi frigoriferi ad assorbimento decentrati nelle unità abitative che forniranno acqua gelida a 6 C per la climatizzazione di ambienti. Inoltre la temperatura di ritorno dagli assorbitori a 78 C permetterà di produrre in cascata acs con riduzione della temperatura dell acqua di ritorno da TLR a 75 C

22 Fabbisogno termico utenze: Fabbisogno termico: Volumetria: m 3 Potenza termica specifica: 10 W/m 3 Fabbisogno termico specifico globale (risc/acs): 14 kwh/m 3 anno P t = KW E t = MWh/anno Fabbisogno frigorifero: Al netto dei fabbisogni termici per acs η f = 0.7 P t = KW E f = MWh/anno (E t = MWh/anno)

23 Dati di progetto Sistema di TLR Volumetria allacciata in rete: m 3 Potenza termica del sistema: KW Perdite di potenza in rete: 300 KW Energia termica per acqua calda: KWh/a Energia termica per acqua gelida: KWh/a Perdite di calore in rete: KWh/a P t = KW E t = KWh/anno

24 Caratteristiche principali impianto Centrale Geotermica n. 1 scambiatore di calore in titanio a piastre alettate per il recupero diretto dell energia termica del fluido endogeno di potenzialità KWt per produzione di acqua calda a 90 C; n.1 scambiatore di calore a piastre intermedio da KWt in serie con pompa di calore; n.1 pompa di calore acqua-acqua a compressione centrifugo di tipo tailor made di potenzialità KWt per produzione di acqua calda a 90 C Potenza termica sottratta al fluido geotermico: KW

25 Layout principale dell impianto - Inverno n.1 scambiatore n.1 scambiatore diretto di calore di calore serie pdc T mandata 92 C T ritorno 65 C n.1 pdc tailor made P e = KW P t = KW P t = KW T prelievo 92 C T 66 C T reiniezione 32 C COP = 3,25

26 Caratteristiche impianto lato utenza Previste sottocentrali lato utenze per: Riscaldamento ambienti; Riscaldamento ambienti e produzione di acs; Produzione di acqua gelida per raffrescamento ambienti e produzione di acs

27 Layout principale dell impianto Utenze (1) Riscaldamento ambienti e produzione di acs RISCALDAMENTO ACS

28 Layout principale dell impianto Utenze (2) Produzione acqua gelida per raffrescamento ambienti e produzione di acs ACS ACQUA GELIDA

29 Simulazione tecnica impianto proposto Per individuare se le ipotesi progettuali soddisfano i fabbisogni energetici individuati si effettuano simulazioni di funzionamento dell impianto valutare i quantitativi energetici prodotti valutare impatto ambientale valutare risparmio energetico valutare redditività economica

30 Caso (1) Risultati principali della simulazione Inverno: Energia termica prodotta: MWh/anno ( 70.8% prodotta da scambiatore diretto) Energia elettrica utilizzata per pdc: MWh/anno Estate: Energia termica prodotta: MWh/anno (47% prodotta da pompa da scambiatore diretto) Energia elettrica utilizzata per pdc: MWh/anno Emissioni evitate di CO 2 della centrale geotermica: 100% risparmio energetico del 52% rispetto impianto convenzionale

31 Investimento previsto Costo di investimento stimato in: Perforazione e messa in funzione n.2 pozzi a profondità di 1.3 Km cad.: Centrale di TLR: Pompa di calore tailor made N.2 scambiatori di calore ed altra componentistica Sistema trattamento acqua rete TLR Impiantistica idraulica Impiantistica elettrica Impiantistica elettronica (sistemi di controllo/allarme e supervisione) Opere civili Sistema di distribuzione: Rete di TLR (movimenti terra, tubazioni, dorsali di alimentazione, allacciamenti) Sottocentrali termiche Sottocentrali termiche e frigorifere Attività di progettazione:

32 Redditività delle soluzioni impiantistica Ricavi: Cessione di energia termica all utenza per riscaldamento ambiente e produzione acs (13.260MWh/anno): 1.190K /anno Cessione di energia termica all utenza per alimentazione frigo ad assorbimento (18.340MWh/anno): 930K /anno Certificati bianchi (13.900MWh/anno a 8,6 /MWh): 191K solo per cinque anni Costi: Acquisto energia elettrica dalla rete: 832K /anno Manutenzione (apparecchiature di centrale e rete TLR): 150K /anno Personale di gestione: 150K /anno; MOL = K

33 2' '000-4'000 Redditività della soluzione impiantistica (2) K -6'000-8'000-10'000-12'000-14' Flusso di cassa attualizzato 2'68 12'2 11'2 10'2 9'38 8'53 7'72 7'02 6'35 5'71 5'10 4'52 3'97 3'45 2'95 2'47 2'02 1'59 1' Anni PRA: 19.8 anni VAN: 906 K TIR: 5.80%

34 Ipotesi di contributi pubblici a fondo perduto Analisi di sensitività al variare del costo di investimento nel range 0%, -40%. PRA: 19.8 anni VAN: 906 K TIR: 5.80% PRA: 9.30 anni VAN: K TIR: 12.50%

35 Proposte di utilizzo diretto Per valorizzare appieno la risorsa geotermica presente a Mazara del Vallo è opportuno utilizzare la risorsa geotermica anche per processi produttivi che richiedono calore a bassa-media entalpia (T<100 C). Impianto di TLR in cui abbiniamo in cascata: riscaldamento di una piscina processo di produzione della pasta a bassa temperatura dissalatore acqua di mare sistema di essiccamento di fanghi per un impianto di depurazione.

36 Proposta TLR + PROCESSO PASTA BASSA T

37 Proposta TLR + DISSALAZIONE

38 Proposta TLR + ESSICCATORE FANGHI

39 Proposta TLR + PISCINA

40 GRAZIE

41 SETTORE TIPO DI INTERVENTO PRINCIPALI APPLICAZIONE RANGE DI TEMPERATURA Calore nei processi produttivi AGROTECNICO E INDUSTRIE ASSOCIATE INDUSTRIE NON ALIMENTARI TERMALE PRODUZIONE LAVORAZIONE CONSERVAZIONE SERVIZI ENERGETICHE CHIMICHE ED ALTRE MEDICALE RICREATIVO Incremento delle colture (vegetali, animali): serre, acquacoltura, etc. Lavorazione e trasformazione dei prodotti vegetali ed animali Lavaggio, cottura, pastorizzazione, asciugatura, essicazione, refrigerazione, conservazione prodotti deperibili Sterilizzazione suoli agricoli, trattamento acque reflue di scarto dei processi, biodegradazione dei rifiuti, essiccamento, inscatolamento e sterilizzazione prodotti Recupero secondario di idrocarburi, produzione alcol (metanolo, etanolo), biogas (digestione del fango), Industria della carta, industria del tessile, farmaceutica, prodotti per l'edilizia, ospedali, industrie dell'elettronica, industria di imballaggi di plastica, distillazione, trattamento acque reflue, desalinizzazione Usi terapeutici (fanghi, bagni, saune) Piscine termali, laghetti caldi 20 C<T<60 C 20 C<T<100 C 60 C<T<100 C 60 C<T<140 C 60 C<T<100 C 60 C<T<120 C 20 C<T<40 C 20 C<T<40 C