Appunti impianti di cogenerazione e risparmio energetico

Metodi risparmio energetico

Risparmio energia elettrica

• Rifasamento
• Scelta della tensione
• Dimensionamento dei conduttori
• Potenza dei motori
• Potenza dei trasformatori
• Movimentazione dei fluidi
• Impiego diretto di energia meccanica
• Eliminazione degli usi non necessari di elettricità
• Razionalizzazione dell’illuminazione
• Razionalizzazione del condizionamento estivo
• Attenuazione delle punte di carico

Risparmio energia termica

• Eliminazione del riscaldamento elettrico
• Controllo della temperatura degli ambienti
• Riscaldamento a bassa temperatura ad aria calda
• Isolamento
• Stratificazione dell’aria calda
• Adozione di recuperi interni
• Uso di pompe di calore
• Cogenerazione

Interventi sulla combustione

• Eliminazione delle fughe di calore
• Regolazione dell’aria comburente
• Controllo della T dei fumi

Cogenerazione

La cogenerazione consiste nella produzione simultanea di potenza meccanica od elettrica e di potenza termica utile con l’utilizzo di una sola fonte energetica.

Si possono utilizzare:

• Turbine a vapore
• Turbine a gas
• Impianti combinati gas-vapore
• Motori a combustione interna
• Microturbine a gas
• Celle a combustibile
• Sistemi ibridi

Fonti energetiche

• Combustibili
  • Derivati del petrolio
  • Carbone
  • Gas naturale
• Alternative
  • Energia solare
  • Energia geotermica
  • Biomasse

Vantaggi, limitazioni e controindicazioni

Vantaggi

• Consumo di combustibile inferiore alla somma dei consumi che si avrebbero per produrre le stesse potenze (termica ed elettrica) in impianti separati.
• Nel trasporto, particolarmente per il calore, per limitare le spese e le dispersioni.
• Il rapporto di domande tra calore ed elettricità deve essere compatibile con le caratteristiche del gruppo cogeneratore.
• Effetto scala con ripercussione sui minimi valori economicamente convenienti delle potenze prodotte.

Limitazioni

• Utilità inversamente proporzionale alla temperatura del calore richiesto.
• Le domande di potenza elettrica e termica devono essere contemporanee (non si possono stoccare le due energie insieme).
• Perdita di flessibilità dell’impianto, con necessità di ricorrere in casi particolari ad integrazioni di energia o utilizzi parziali dell’impianto.

Controindicazioni

• Incremento dei costi fissi (investimenti iniziali, sorveglianza e manutenzione).
• Necessità di adottare nuove tecnologie (può essere visto sfavorevolmente nel contesto aziendale).

Indici di valutazione

IRE - Indice di risparmio energetico

¿ ❇ P − P

IRE = ¿ ¿ ¿ P ¿

❇ Potenza introdotta col combustibile nell’impianto cogenerativo → P ¿ P ¿ → potenza totale da introdurre per produrre la stessa potenza elettrica e termica.

P e ¿ ¿ ¿ Q’ η η

In due impianti separati con rendimenti et e t '

❇ P Qe t ¿ ¿ ¿ P P = P + = + ¿ ¿ e ¿ t ¿ ¿ η η e t P Pe t

Introducendo il rendimento elettrico ( ) e termico ( ) dell’impianto cogenerativo η η = = e t P P ¿ ❇ ¿ ❇ ottengo:

1 1

IRE = 1 − = 1 − P Q η η e t e t + + ¿ ¿ ¿ ¿ P η P η η η ¿ ¿ e t e t ¿ ¿

In termini di energie si ottiene: Δt Δt P (t) ∫ ∫ e ¿ P Δt P dt dt − (t) ¿ ¿ η (t)0 0 e

IRE = = 1 − ¿ ¿ P Δt P Δt ¿ ¿

Esprimendo gli indici in termini di potenze valutiamo le prestazioni di targa dell’impianto, mentre esprimendoli in termini di energia ne valuto le prestazioni di effettivo esercizio.

IR - Indice di risparmio

❇ P ¿

IR = 1 − IRE = ¿ P ¿

η - Coefficiente di utilizzo del combustibile

❇ n ' P + Qe t ❇

η (somma di contributi di energie di diverso tipo) = = η + η n e t P ¿

Ie - Indice elettrico

❇ e P η; e e

I = = e ' η Q tt

IREC - Indice di risparmio economico

❇ ¿ C − C

IREC = ¿ C ¿

C → spesa per acquistare energia elettrica E e termica E dall’esterno.

e t

C → costo di produzione di E ed E nell’impianto cogenerativo.

e t

λ → costo unitario del combustibile.

ξ → costo di acquisto dell’energia elettrica.

e

ξ → costo di acquisto dell’energia termica.

t

¿ C ξ E ξ = E + e e t t

E e

C = λ η e

1

IREC = 1 − η η e t + λ λ ξ ξ e t

Gruppi combinati

• Ciclo a singola evaporazione
• Ciclo a due livelli di pressione
  • Senza risurriscaldamento
  • Con risurriscaldamento
• Ciclo a tre livelli di pressione
  • Con risurr.
  • Senza risurr.
• Combustione supplementare (con post-combustore)
• Cicli a gas con iniezione a vapore (STIG)
• Potenziamento di impianti esistenti

Tipologie

Nel caso di imp. a vapore con turbine a gas:

• Preriscaldamento dell’acqua di alimento → η maggiorato dell’1-2% e potenza aumentata del 20-35%
• Produzione di vapore di media pressione → η maggiorato dell’1-2% e potenza aumentat