UNIVERSITÀ DEGLI STUDI DI NAPOLI FEDERICO II

Transcript

1 UNIVERSITÀ DEGLI STUDI DI NAPOLI FEDERICO II FACOLTÀ DI INGEGNERIA CORSO DI LAUREA IN INGEGNERIA MECCANICA (CLASSE DELLE LAUREE IN INGEGNERIA INDUSTRIALE N 10) DIPARTIMENTO DI INGEGNERIA MECCANICA ED ENERGETICA - DIME ELABORATO DI LAUREA ANALISI TECNICO-ECONOMICA DI UN IMPIANTO DI TRIGENERAZIONE IN ABBINAMENTO AD UN IMPIANTO FOTOVOLTAICO RELATORE: Ch.mo Prof. ING. GIUSEPPE LANGELLA CANDIDATO: ANDREA DEL MONTE matr. 535/1475 ANNO ACCADEMICO 2009 / 2010

2 Capitolo I INTRODUZIONE AGLI IMPIANTI DI TRIGENERAZIONE 1.1 Generalità Il continuo aumento della richiesta di energia sta portando ad una rivoluzione sul piano energetico nazionale ed internazionale. Oltre allo sviluppo delle tecnologie che mirano a sfruttare le fonti rinnovabili, si cercano di migliorare quelle già esistenti. In natura non è possibile trasformare completamente energia primaria del combustibile in energia meccanica, infatti il secondo principio della termodinamica dice che una qualunque macchina quando converte energia termica in lavoro meccanico non lo fa mai al 100%, ma c è sempre un aliquota di calore che viene restituita all ambiente. Pertanto nelle tecnologie impiegabili per la realizzazione di cicli termodinamici, la frazione di calore che deve necessariamente essere riceduta dal ciclo è quasi sempre maggiore della frazione convertita in elettricità o lavoro, cosicché l'energia termica non utilizzata risulta sovente superiore all'energia elettrica o meccanica utile. Essendo l'energia termica una forma di energia ampiamente richiesta, ne deriva la possibilità di impiegare lo scarto di un ciclo di potenza come calore utile per il riscaldamento, raffreddamento o per svariati processi industriali. In tal caso, il sistema che produce tanto elettricità (o potenza meccanica) quanto calore utili prende il nome di sistema di cogenerazione. Per cogenerazione, denominata anche Chp (Combined heat and power), si intende la produzione contemporanea di energia elettrica e calore, considerati entrambi effetti utili, partendo da una sorgente di energia primaria mediante un unico sistema. 1

3 In altre parole la cogenerazione consiste nell impiego utile del calore scaricato da un ciclo di potenza, che risulterebbe altrimenti inutilizzato. La riduzione di tale refluo termico consente la sostanziale diminuzione, a parità di servizio reso all utenza, dei consumi di energia primaria. L entità del risparmio varia a seconda delle tecnologie impiegate e delle condizioni di utilizzo dell energia elettrica e del calore prodotti. In via approssimativa tale risparmio può essere stimato attorno al 35-40%. Vengono chiariti i concetti appena esposti con un esempio. Se si utilizzano 100 unità di combustibile in un impianto di cogenerazione, si ottengono circa 20 unità di energia elettrica e 64 unità di energia termica; per ottenere la stessa quantità di energia prodotta utilizzando impianti convenzionali, che generano separatamente tali energie, sarebbero necessarie circa 80 unità di combustibile per la produzione di calore e 50 per la produzione di elettricità, per un totale di 130 unità di combustibile. Il sistema cogenerativo, in questo caso, consente quindi di risparmiare il 30% del combustibile (fig. 1.1). Fig. 1.1 Confronto tra produzione combinata e produzione separata La trigenerazione, detta anche Chcp (Combined heating, cooling and power generation), rappresenta un particolare sviluppo dei sistemi di cogenerazione in cui si recupera l energia termica, solitamente prodotta in inverno per il 2

4 riscaldamento degli ambienti, per la produzione di energia frigorifera nei periodi estivi (fig. 1.2). Fig.1.2 Schema produzione energia combinata Questo è possibile grazie ad un ciclo frigorifero ad assorbimento, che recupera il calore generato dal cogeneratore e lo converte in fresco. Tutto questo attraverso l utilizzo di energia meccanica spesa per azionare la pompa di circolazione del fluido refrigerante, cioè l acqua, che, insieme alla sostanza utilizzata come assorbente (per esempio l ammoniaca), permette di raggiungere le stesse temperature di funzionamento dei tradizionali impianti di condizionamento. Dunque grazie ai sistemi di trigenerazione è possibile produrre in una sola volta, partendo da una fonte di energia primaria, energia elettrica, termica e frigorifera, anche se in ambito domestico si distingue un ciclo invernale, che vede la produzione soprattutto di energia elettrica e calore, ed un ciclo estivo che produce energia elettrica e energia frigorifera. Tutto viene comunque fatto utilizzando lo stesso impianto. 3

5 Oggi vi sono sul mercato numerosi modelli di impianti di trigenerazione, ma la differenza sta nel tipo di energia primaria utilizzata per alimentare il sistema. Possiamo in particolare distinguere impianti alimentati a combustibili fossili (soprattutto motori diesel) e impianti a gas o biogas, senza dimenticare infine gli impianti che sfruttano energia prodotta da fonti rinnovabili ( oli vegetali, pellet, biomasse, ecc..), anche se questa soluzione è al momento economicamente impegnativa e necessita comunque di impianti di Integrazione tradizionali. In sostanza i vantaggi legati a questa tecnologia sono rappresentati dall utilizzo del calore prodotto dal cogeneratore durante il periodo estivo, da parte della macchina ad assorbimento che produce così energia frigorifera. 1.2 Sistemi di trigenerazione Gli elementi fondamentali di un sistema di trigenerazione, che ritroviamo in tutte le soluzioni impiantistiche, sono sostanzialmente due: 1. Il motore primo che attua la conversione dell energia termica introdotta in energia meccanica, accoppiato a un generatore elettrico che trasforma l energia meccanica in energia elettrica; 2. Una macchina frigorifera che attua la conversione dell energia termica prodotta in energia frigorifera. A questi va aggiunta una serie di impianti ausiliari che ne consente il corretto funzionamento (sistemi di dissipazione, strumentazione di regolazione e controllo dell impianto, sistemi di antinquinamento e di insonorizzazione, ecc.). 4

6 1.3 Motori primi in trigenerazione I motori primi utilizzati per la trigenerazione possono essere suddivisi in due classi. A un grado di libertà. Per i motori primi a un grado di libertà, la definizione della potenza elettrica fissa necessariamente anche la potenza termica (o viceversa). Tra questi si annoverano i motori alternativi, le turbine a gas, le turbine a vapore a contro e i cicli combinati con turbina a vapore a contro. A due gradi di libertà. Per i motori primi a due gradi di libertà il rapporto elettricità/calore generato può variare entro un campo molto ampio. In questo caso, potenza elettrica e termica generate possono essere fissate, entro certi limiti, indipendentemente l una dall altra. Tra questi ricordiamo le turbine a vapore a condensazione e spillamento, i cicli combinati con turbina a vapore a spillamento e le turbine a gas a iniezione di vapore. Ciascuna tipologia di impianto è caratterizzata da un suo specifico campo di applicazione, all interno del quale si realizzano i massimi rendimenti termodinamici e/o la massima convenienza economica. Le principali caratteristiche tecniche sono riportate in tabella 1.1: 5

7 Turbina a vapore Motore diesel Motore a gas naturale Turbina a gas Microturbina Efficienza energetica (%) Efficienza globale (%) Efficienza elettrica effettiva (%) Taglie tipiche (MWe) , , ,03-0,35 En. elettrica/ en. termica 0,1-0,3 0,5-1,0 0,07-1,0 0,5-1,0 0,4-0,7 Funzionament o carico Possibile Buono Possibile Scarso Possibile parziale Costo di installazione (dollari/kw) Costo di gestione (dollari/kw) Tempo di avviamento Combustibili utilizzabili Utilizzi dell energia termica < 0,004 0,0050,015 0,007-0,02 0,0030,0096 0,01 1 ora-1 giorno Tutti Vapore a bassa o alta 10 secondi 10 secondi 10 min. -1 ora 1 minuto Diesel, oli esausti Acqua calda, vapore a bassa Gas naturale, biogas, propano, gas di discarica Acqua calda, vapore a bassa Gas naturale, biogas, propano, olio combustibi le Acqua calda o surriscalda ta, vapore a bassa o alta Gas naturale, biogas, propano, olio combustibile Acqua calda o surriscaldata, vapore bassa Tab. 1.1 Caratteristiche tecniche delle tipologie 6

8 Vantaggi Svantaggi Taglie disponibili elevata efficienza globale, Turbina a vapore può utilizzare qualsiasi combustibile alta affidabilità e tempi lunghi avviamento lento basso rapporto en. elettrica/en. termica Da 50 kw a 250 MW di esercizio Motori alternativi a ignizione diretta elevata efficienza associata emissioni alte relativamente cogenerazione Alte velocità (1.200 rpm) < 4 MW a flessibilità di limitata ad applicazioni a parzializzazione del carico bassa temperatura Motori alternativi ad accensione per compressore diesel costi di investimento relativamente ridotti tempi di avviamento molto brevi possono essere revisionati necessità di smaltire il calore quando questo non è recuperato elevati costi di manutenzione alti Basse velocità (6075 rpm) < 0,5 MW in loco dai normali livelli di rumorosità alle operatori basse temperature Microturbina numero ridotto di parti in movimento dimensioni compatte e basso peso ridotte emissioni costi elevati efficienza meccanica bassa cogenerazione limitata ad applicazioni a bassa temperatura da 30 kw a 350 kw Turbina a gas alta affidabilità basse emissioni calore disponibile ad alta temperatura richiesta di gas ad alta basse efficienze a basso carico Da 500 kw a 400 kw Tab. 1.2 Vantaggi e svantaggi delle diverse tipologie d impianto 7

9 Fra queste macchine, i motori alternativi e le turbine a gas costituiscono la tecnologia a oggi dominante nel campo delle piccole potenze grazie alla loro flessibilità, affidabilità, modularità e grazie ai buoni rendimenti elettrici. 1.4 Recupero termico nei motori alternativi a combustione interna I motori a combustione interna per le loro caratteristiche costruttive, possono utilizzare una vasta gamma di combustibili sia liquidi (gasoli, benzine) sia gassosi (gas naturale, gpl, biogas ecc). Le applicazioni dei motori per impianti di co-trigeneraziane sono ampiamente diffuse e le tecnologie molto affidabili permettono di raggiungere ottimi livelli di efficienza elettrica e termica Principio di funzionamento Lo schema impiantistico (fig. 1.3) prevede il collegamento diretto del motore ad un generatore che converte l energia meccanica trasmessa producendo l energia elettrica da inviare all impianto dedicato. Fig. 1.3 Schema collegamento, motore generatore, utenza termica 8