Assorbitori per impianti di piccola cogenerazione

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1 R T S energie alternative Tecnologia Assorbitori per impianti di piccola cogenerazione Maya La cogenerazione e la trigenerazione sono argomenti di grande attualità. Provvedimenti normativi e legislativi atti a promuovere l utilizzo esteso di queste proposte tecnologiche sono in dirittura d arrivo e se ne prevedono di conseguenza importanti sviluppi applicativi, in particolare per impianti di piccola taglia. Gli impianti di piccola cogenerazione coprono potenze elettriche fino a 500 kw ed utilizzano allo scopo motori a combustione interna. Notevole interesse riveste il loro accoppiamento con piccoli gruppi refrigeratori ad assorbimento che permettono la conversione del calore recuperato dal sistema cogenerativo in energia frigorifera atta agli impieghi più vari, quali processi industriali e ambientale. I gruppi utilizzati allo scopo sono caratterizzati da potenze frigorifere fino a circa 105 kw, sono modulari nella concezione costruttiva e compatibili tra di loro, il che permette installazioni con più unità per coprire livelli di potenza diversi. Essi vengono alimentati con acqua a temperature assai basse, fra i 70 e i 95 C e producono acqua a 7 C, con un rapporto di conversione del 70 %. Questa soluzione tecnologica, altrimenti denominata trigenerazione, trova da tempo ampia e proficua diffusione nei paesi del nord Europa, assai attenti ad ogni proposta di risparmio energetico. Paolo Colaiemma Dalla cogenerazione... Il termine cogenerazione si riferisce alla produzione combinata di calore ed energia elettrica (CHP = Combined Heat and Power) ottenuta impiegando energia primaria. L energia primaria può essere gas o gasolio utilizzati in un motore a combustione interna, che aziona un generatore elettrico. Una gran parte del calore generato dal motore viene recuperata ed utilizzata per altri scopi. In passato, era uso comune installare in loco gruppi elettrogeni, sia per le emergenze - stand by - da utilizzare cioè in caso d interruzione dell alimentazione da rete, sia per la produzione dell energia elettrica necessaria in tutti quei casi in cui questa non era altrimenti disponibile. Allora non si prestava grande attenzione al rendimento complessivo del sistema; la figura 1 illustra l efficienza caratteristica di una installazione di produzione di energia elettrica senza alcun recupero del calore dal motore. Gli attuali costi dell energia primaria, quelli dell energia elettrica e l efficienza globale ottenibile con il recupero del calore da un gruppo elettrogeno hanno cambiato completamente l intero concetto impiantistico adottato, portando alla scelta di soluzioni miranti alla drastica ri- 66

2 duzione dei costi. Il rendimento ricavabile su motori a gas, che convertono l energia meccanica in energia elettrica, è dell ordine del 32%; ciò in altri termini significa che l acqua di raffreddamento del motore e i gas prodotti disperdono quasi il 70% dell energia potenziale contenuta nel combustibile di alimentazione impiegato. Peraltro, normalmente la possibilità di recupero del calore generato dal motore può risultare dell ordine dell 80 %. L efficienza del sistema di cogenerazione può essere così espressa: 1 Rendimento elettrico di un generatore tradizionale operante senza alcun recupero termico. Ep ( Pe Ep) er Te = + - Pe dove : Te = efficienza totale Ep = energia elettrica Pe = energia primaria e = efficienza del recupero La figura 2 illustra visivamente i vari valori in gioco. Quanto sopra dimostra chiaramente che se, invece di utilizzare combustibile per produrre solo energia elettrica, si recuperasse ed impiegasse il calore prodotto si otterrebbe un incremento dell efficienza del 54%, con valori complessivi di questa pari al 86 %. Deve comunque esistere un uso continuo del calore disponibile durante tutto il periodo di produzione dell energia elettrica. Se dovesse verificarsi un utilizzo solo parziale, il rendimento complessivo risulterebbe penalizzato. La figura 3 illustra l andamento decrescente dell efficienza del sistema in funzione del mancato uso del calore prodotto. Affinché quindi il sistema di cogenerazione risulti valido, scontata la produzione di energia elettrica, deve verificarsi una contemporanea possibilità di utilizzo del calore disponibile; può altrimenti essere detto che, assodato un conveniente impiego del calore, deve essere opportunamente utilizzata l energia elettrica prodotta. 2 Cogeneratore (CHP) in cui è previsto il recupero del calore per il e la produzione di acqua sanitaria. La concomitanza degli impieghi rappresenta quindi il fattore critico del sistema. La possibilità di riversare in rete l eccedenza elettrica disponibile, ovverosia non utilizzabile direttamente, risolve immediatamente il problema della contemporaneità dell utilizzo. In altri termini, in questo caso l impianto di cogenerazione risulta sempre completamente e continuamente impegnato a pieno carico. Ovviamente 3 Rendimento complessivo di un cogeneratore in funzione della quantità di calore recuperata ed utilizzata. l eccedenza ceduta alla rete deve essere equamente compensata (buy back). È molto probabile che il cogeneratore usi in loco tutta l energia prodotta, particolarmente se trattasi di applicazioni industriali. In molti casi si verifica pure un uso locale del calore di recupero in processi associati. Nel settore terziario (uffici, centri commerciali, alberghi, ospedali, eccetera) l utilizzo del calore, viceversa, deve essere conside- 67

3 4 Sistema di trigenerazione con utilizzazione del calore per la sola produzione di acqua refrigerata. rato diversamente. Mentre i mesi invernali offrono buone opportunità di impiego del calore per il ambientale e per l acqua calda sanitaria, non altrettanto può dirsi per quelli estivi. alla trigenerazione Il calore disponibile andrebbe per la massima parte irrimediabilmente perso, se non fosse possibile un suo proficuo impiego in un gruppo frigorigeno ad assorbimento. In questo caso, più che di cogenerazione si può parlare di trigenerazione (CCHP = Combined Cool Heat and Power). Le macchine ad assorbimento disponibili sul mercato utilizzano soluzioni di bromuro di litio ed acqua. Sono caratterizzate da un COP (Coefficient Of Performance) attorno allo 0.7, funzionano seguendo un ciclo ad assorbimento a singolo effetto e producono acqua refrigerata a 7 C con alimentazione ad acqua calda ricavata dall impianto di cogenerazione approssimativamente a 90 C. Considerato tale COP, con l assunzione che, ad esempio, tutto il calore recuperato dal motore sia impiegato nell assorbitore, la figura 4 evidenzia il rendimento complessivo del sistema, che risulta nell ordine del 70 %. L utilizzo del calore per il raffrescamento oltre che per il ambientale e la produzione di acqua calda sanitaria migliora sostanzialmente l economicità del sistema. La figura 5 illustra l incremento dell efficienza del sistema nel caso in cui una frazione del calore inutilizzato per il e per l acqua sanitaria venga impiegato per il raffrescamento. In pratica è poco probabile che tutto il calore recuperato dal motore possa essere completamente utilizzato. Il calore disponibile può essere così definito: Hr = (Pe - Ep) er dove: Hr = calore di recupero utilizzabile Pe = energia primaria Ep = energia elettrica er = efficienza del recupero Ne segue che l efficienza totale del sistema potrà essere rappresentata dalla seguente espressione: Ep Hr$ qh Hr$ qc$ Ae Te = + + Pe dove: Te = efficienza totale qh = frazione di calore assorbita dal (valore percentuale) qc = frazione di calore assorbita dal raffrescamento (valore percentuale) Ae = COP del processo ad assorbimento Alla formula sopra indicata bisognerà fare riferimento per un calcolo, sia pur approssimato, dell efficienza complessiva e della convenienza economica dell impianto, tenuto conto dei diversi valori delle varie forme di energia in gioco. Le macchine frigorigene ad assorbimento Le macchine frigorigene ad assorbimento prese in considerazione sono quelle di piccola potenza, alimentate ad acqua calda, impieganti come fluido di lavoro una soluzione di acqua e bromuro di litio. Dette unità sono state concepite per l utilizzo di calore a bassa temperatura, con applicazioni tipiche in processi industriali ed in sistemi di cogenerazione di limitata potenzialità. La temperatura dell acqua calda richiesta dal ciclo ad assorbimento è compresa fra i 70 C e 95 C. L acqua refrigerata è prodotta a 7 C, particolarmente idonea, quindi, all impiego in processi di raffreddamento tecnologico e di condizionamento dell aria. Lo smaltimento del calore nel processo ad assorbimento è ottenuto con la circolazione di acqua nello scambiatore dell assorbitore/condensatore. Le macchine, di produzione di serie, sono disponibili in potenze nominali frigorifere comprese fra 17,5 kw e 105 kw, (corrispondenti a 5 ed a 30 RT; 1 Refrigeration Ton - 1 RT = 3,5 kwf). Essendo gruppi modulari compatibili tra di loro possono essere installati in più unità per coprire diversi livelli di potenza. L utilizzazione del calore di recupero in un impianto di cogenerazione risulta la naturale applicazione di queste macchine. Le prestazioni di ogni singola unità vengono evidenziate dalle relative curve caratteristiche. Nelle figure 6 a, b e c si riportano quelle dell unità di potenza frigorifera nominale pari a 105 kw, che ci serviranno per l illustrazione dell esempio appresso riportato. Le curve contemplano temperature di ingresso dell acqua di raffreddamento rispettivamente di 27 C, 29.5 C, 31 C e 32 C. Per le stesse varranno le seguenti considerazioni, valide peraltro per tutta la gamma delle apparecchiature. Tenendo fissa la temperatura dell acqua refrigerata prodotta, pari a 7 C, la potenza frigorifera erogata è fortemente influenzata dalle temperature dell acqua di raffreddamento o meglio di dissipazione e 68

4 dalla temperatura dell acqua di alimentazione. Si otterranno valori di potenza più elevati, infatti, diminuendo la temperatura dell acqua di raffreddamento oppure aumentando quella di alimentazione. La temperatura dell acqua di raffreddamento, che comunque non può scendere sotto il valore di 24 C per evitare fenomeni di cristallizzazione della soluzione di lavoro, è dettata, nel caso di utilizzo di torri evaporative, dalla temperatura a bulbo umido dell aria esterna, caratteristica questa della località di installazione. La temperatura dell acqua di alimentazione non può eccedere, sulle unità considerate, i 95 C, per motivi di sicurezza operativa, risultando la temperatura limite di progetto pari a 100 C. Essa, peraltro, come sopra accennato, può scendere a valori molto bassi, scontando per contro forti penalizzazioni di potenza. In figura 6c è illustrato anche l andamento del fattore di penalizzazione della potenza frigorifera per riduzione della portata dell acqua di alimentazione, fermi restando i rimanenti valori caratteristici di funzionamento. I valori ottenibili dai grafici illustrati possono essere utilizzati per ipotizzare differenti 5 I grafici si riferiscono ad un sistema di trigenerazione in cui tutto il calore disponibile, non utilizzato per il e l acqua sanitaria, viene impiegato per la refrigerazione. condizioni di lavoro della macchina, anche se i risultati ottenibili debbono essere considerati solo indicativi. Schema concettuale di impianto di trigenerazione In figura 7 è illustrato uno schema concettuale di impianto di trigenerazione che impiega un motore endotermico ed un assorbitore con distribuzione a 4 tubi. L impianto è caratterizzato da due circuiti, quello primario al servizio del motore/alternatore, dotato di dissipatore di emergenza, e quello secondario di gestione dell assorbitore e relativa torre evaporativa. I due circuiti sono interconnessi da un collettore, altrimenti denominato disgiuntore. Qualora fosse richiesta una separazione fra i due circuiti, per la loro interfaccia può essere impiegato uno scambiatore. Il collettore, che è dotato di quattro connessioni, deve essere dimensionato in modo tale da assicurare le minime perdite di carico. All avvio del motore viene azionata anche la pompa P5. Il liquido di raffreddamento del motore fluirà dal collettore attraverso la valvola miscelatrice MV3 al motore e ritornerà quindi al collettore. Qualora il sistema non chieda calore ed il liquido refrigerante ecceda il limite di temperatura prefissato (nell ordine dei 90 C) la valvola MV3 devierà parte dello stesso al dissipatore di emergenza. In tal modo verrà garantita la temperatura massima di ritorno dettata dal costruttore del motore. Allorché il liquido di raffreddamento del motore avrà incrementato la sua temperatura nel collettore (o nello scambiatore di calore) fino a 70 C e sia richiesta acqua refrigerata, verranno azionate le pompe P3, P2 e P1 a servizio dei circuiti idraulici dell assorbitore. L acqua calda di alimentazione affluirà dal collettore attraverso le valvole deviatrici MV2 e MV4 sino all assorbitore e da questo ritornerà al collettore. L acqua refrigerata spinta dalla pompa P1 fluirà alle diverse utenze (centrale di trattamento aria, ventilconvettori od altro). Se è richiesto contemporaneamente calore, la valvola deviatrice MV1 verrà azionata allo scopo di convogliare l acqua calda proveniente dall assorbitore all utenza termica. Nel caso di solo fabbisogno termico per, la valvola MV4 escluderà l assorbitore. Qualora il motore venga posto fuori servizio per manutenzione o altro, la valvola MV2 provvederà a deviare tutto il fluido termovettore verso la caldaia ausiliaria, allo scopo di soddisfare comunque l utenza. La stessa, ovviamente, dovrà essere in grado di fornire l acqua calda alle temperature e nelle quantità di progetto. Nello schema è prevista una torre evaporativa chiusa. Poiché la qualità dell acqua ed il suo trattamento richiedono pur sempre una particolare attenzione, le torri chiuse offrono una opportuna opzione. Va tenuto conto nel dimensionamento di questa, in ogni caso, della temperatura di bulbo umido caratteristica della località di installazione. Compatibilità delle macchine Le varie considerazioni fatte finora presuppongono che l impianto di trigenerazione sia stato ben studiato per la sua 69

5 a b c 6 Curve caratteristiche di prestazione di un assorbitore di potenza frigorifera nominale pari a 105 kw: potenza frigorifera (a), potenza termica (b), fattore di penalizzazione (c). specifica applicazione e che le diverse macchine adottate siano tra loro perfettamente compatibili; in particolare per quanto riguarda gli assorbitori siano stati verificati gli intervalli di temperatura e le portate d acqua utilizzate. Un attenta progettazione dell impianto deve mirare ad un sostanziale recupero del calore disponibile; ciò è particolarmente necessario allorché questo viene per la massima parte impiegato nell assorbitore, la cui alimentazione e le cui prestazioni sono ad esso strettamente correlate. Una disattenta valutazione delle portate e della compatibilità delle temperature possono rendere il sistema praticamente inefficace. Frequentemente, il recupero del calore da un motore è effettuato mediante la circolazione di acqua con portate atte ad ottenere un salto termico di 20 C, con mandata a 90 C e ritorno a 70 C. Se si ipotizza che nel circuito primario, quello del motore, sia disponibile una temperatura massima di 90 C, ne consegue che anche nel circuito secondario, quello di alimentazione dell assorbitore, è teoricamente disponibile la stessa temperatura. Qualora poi l assorbitore fosse in grado di sfruttare tutto il salto termico provvisto dal primario, ne risulterebbe un pieno utilizzo della potenza termica recuperata dal motore. Va tenuto presente, per contro, che gli assorbitori normalmente non riescono a lavorare con un differenziale di temperatura così ampio e comunque qualora operino con temperature medie di alimentazione inferiori a quelle di progetto, le loro prestazioni vengono sostanzialmente penalizzate (vedi figura 6c). Tutto ciò si traduce praticamente in un parziale utilizzo della potenza termica erogata dal primario. Il calore inutilizzato può naturalmente essere impiegato altrove o smaltito nel radiatore di emergenza. Tuttavia questo è calore che può essere stato considerato completamente disponi- 70

6 7 Schema concettuale di impianto di trigenerazione. bile nel progetto della macchina ad assorbimento e, come sopra accennato, se la quantità di calore recuperata dal motore non è largamente eccedente quella richiesta dall assorbitore ne risulterà una cospicua riduzione della potenza frigorifera ottenibile. La massima potenza ricavabile si registra in ogni caso allorché la portata del circuito secondario risulta praticamente la stessa del circuito primario. L esempio appresso riportato chiarirà meglio tutto quanto sopra asserito. La valutazione delle prestazioni Consideriamo un motore che, funzionando in assetto cogenerativo, produca a pieno carico 180 kw termici, con temperatura di mandata dell acqua a 90 C e di ritorno a 70 C. La portata dell acqua nel circuito relativo risulterà in base alla formula seguente V Pt = Dt x k dove: V = portata volumetrica dell acqua (l/s) t = differenziale di temperatura dell acqua ( C) Pt = potenza termica scambiata (kw) k = fattore di conversione: 4,187 (kw s/ C l) pari a: (1) V = 180 kw 2, 1l/ s 20cC x 4, 187 kw s / cc I = Consideriamo poi l adozione di un assorbitore da 105 kw di potenza nominale, le cui caratteristiche prestazionali siano quelle illustrate nelle curve sopra riportate. Supponiamo di alimentare l assorbitore con l acqua ricavata dal motore, adottando una uguale portata. Questa pari a 2,1 l/s risulta il 29% di quella di targa dell assorbitore considerato, stabilita a 7,2 l/s, corrispondente quindi ad un fattore di penalizzazione della potenza erogata di 0,73 (valore evidenziato dal punto C nel grafico di figura 6). Avendo fissato la temperatura dell acqua di alimentazione dell assorbitore a 90 C, ipotizzata una temperatura d ingresso allo stesso dell acqua del circuito di condensazione a 29,5 C, si otterrà dalle curve caratteristiche di prestazione rispettivamente : Pf potenza frigorifera erogata = 118,6 kw (punto A) x 0,73 = 86,6 kw Pt potenza termica assorbita = 174,9 kw (punto B) x 0,73 = 127,7 kw Il salto termico dell acqua nel circuito di alimentazione per la (1) risulterà il seguente 127, 7 kw D t = = 14, 5cC 2, 1l/ sec x 4, 187 kw s / cc I Operando in tal modo solo 127,7 kw dei 180 kw disponibili, il 70 % circa, saranno utilizzati proficuamente nel processo di refrigerazione. Conseguentemente il restante 30% dovrà essere impiegato in altro modo o semplicemente dissipato in atmosfera. Qualora si volesse utilizzare lo stesso per ulteriore refrigerazione si potrà impiegare un secondo assorbitore, naturalmente di potenzialità ridotta rispetto a quello sopra indicato, ad esempio 70 kw nominali, da installare in serie al primo. La temperatura di alimentazione di questa unità risulterà ovviamente pari a : Ta = 90 C 14,5 C = 75,5 C La portata dell acqua di alimentazione rimarrà peraltro la stessa, V = 2,1 l/sec. Procedendo come sopra, si otterrà rispettivamente: Pf potenza frigorifera erogata = 44,3 kw x 0,83 = 36,8 kw Pt potenza termica assorbita = 57,1 kw x 0,83 = 47,4kW Il differenziale di temperatura dell acqua di alimentazione risulterà per la (1) pari a 5,5 C. Questi, aggiunti ai 14,5 C precedenti, daranno i 20 C richiesti. La potenza termica totale utilizzata ammonterà a 175,1 kw sui 180 kw disponibili e produrrà un effetto frigorifero di 123,4 kw, con un COP complessivo pari a 0,7. Ovviamente accanto a queste valutazioni puramente tecniche, dovrà essere presa in considerazione la convenienza economica al completo utilizzo dell energia termica disponibile, dati i bassi valori di ritorno sugli investimenti marginali da effettuare. Va sottolineato ancora una volta, infine, come i valori così ottenuti debbono essere considerati solo di larga approssimazione e come tali, pertanto, utilizzati. 71