Risposte alle domande d'esame - parziale 2

1. Cos’è il repowering e suoi vantaggi

Oppure principali motivi di interesse per il repowering [repowering sl2-4].

Il repowering è una soluzione che ha l’obiettivo di aumentare la potenza di un impianto a vapore già esistente, integrando a monte un sistema energetico, in genere un turbogas, dal quale riceve la massima parte della potenza termica non trasformata in meccanica.

I vantaggi che la contraddistinguono si individuano in:

• Facilità di inserimento di una turbina a gas in un impianto a vapore grazie alla sua compattezza.
• Minori problemi, anche in termini burocratici, rispetto alla realizzazione di una centrale ex novo.
• Riconversione di vecchie centrali a vapore alimentate ad olio combustibile o a carbone.
• Riduzione delle emissioni gassose (NOx, SOx, particolato, CO2, …).
• Miglioramento del rendimento grazie al recupero termico dei gas della turbina.

2. Tutti schemi impianto repowering

[repowering sl5-...]

Possiamo descrivere i principali schemi impiantistici del repowering:

• Preriscaldamento dell’acqua di alimento: il calore prelevato dal turbogas viene utilizzato per preriscaldare l’acqua di alimento della caldaia, disattivando in parte o in toto gli spillamenti rigenerativi, riattivabili in caso di malfunzionamento del turbogas. Ciò potrebbe portare a un aumento di portata problematico per la turbina a bassa pressione, regolabile attraverso la riduzione della potenza termica dei bruciatori. Questo schema impiantistico richiede modifiche minime all’impianto e brevi tempi di fermata della centrale, ma offre un incremento di potenza tra il 20 e il 35%, con un rendimento del 40-42%.
• Generazione di vapore a media pressione: i gas di scarico del turbogas vengono utilizzati per generare vapore surriscaldato alle stesse condizioni di quello di risurriscaldamento del ciclo a vapore, confluendo nella turbina a media pressione insieme con quello prodotto dal generatore di vapore. La portata di vapore nelle turbine a media e bassa pressione è regolabile analogamente a quanto descritto nel caso precedente. Anche questo schema impiantistico richiede modifiche minime ed economiche all’impianto, con pressioni di lavoro però molto più basse (35 bar) e prossime a quella ottimale di un ciclo monolivello per il recupero di gas di scarico a 540-560°C, ma l’incremento di rendimento ottenuto è piuttosto modesto.
• Ricombustione in caldaia (hot windbox): i gas scaricati dal turbogas sono inviati direttamente al generatore di vapore della centrale esistente come comburente sostitutivo in tutto o in parte dell’aria primaria, grazie all’ampio contenuto di ossigeno. È bene però mantenere la classica modalità di funzionamento in caso di fermo della turbina. Questa tipologia di impianto permette di ottenere rendimenti fino al 45-47% e incrementi di potenza fino al 40%, ma richiede importanti modifiche al generatore di vapore: il ridimensionamento di tutti i condotti di adduzione ed eventualmente interventi sulle superfici di scambio termico, a causa dell’aumento di portata volumetrica del comburente e dei gas combusti; l’inserimento di preriscaldatori dell’acqua di alimento a valle del degasatore che utilizzino i gas di scarico, al fine di ottenere il massimo recupero termico, e l’eliminazione del preriscaldatore d’aria Ljungstrom. Pertanto, è un tipo di impianto utilizzato nei casi di adeguamento o sostituzione della caldaia a fine vita.
• Trasformazione in un ciclo combinato “unfired”: sostituzione totale del generatore di vapore con un HRSG tipico di un ciclo combinato “unfired”, senza post-combustione, mantenendo tutta l’impiantistica del turbovapore. È lo schema impiantistico ideale per il repowering di impianti di poche decine di MW. Comporta un incremento di potenza fino al 180-220% e un rendimento massimo del 50%, ma richiede un intervento radicale e la corretta scelta della turbina a gas da applicare in relazione ai vincoli di pressioni operative del ciclo a recupero e alle portate di vapori risultanti a causa del mantenimento della turbina a vapore.

NB: le parti sottolineate rispondono alla domanda: “pro e contro di un tipo di schema impiantistico per il repowering”.

3. Cos’è la cogenerazione e cosa la trigenerazione

(COGENERAZIONE, 7-15+42-53+64-78)

Cogenerazione

Si definisce processo di cogenerazione l’insieme delle operazioni volte alla produzione simultanea di energia meccanica/elettrica e calore, entrambi considerati effetti utili, partendo da una qualsivoglia sorgente di energia. La produzione deve avvenire in modo sostanzialmente interconnesso in cascata, e deve realizzare un più razionale uso dell’energia primaria rispetto ai processi che producono separatamente le due forme di energia.

Possono essere utilizzate diverse tecnologie nella realizzazione di un impianto cogenerativo:

• Turbina a gas: leggera e piccola, ha un basso costo iniziale e tempi brevi di installazione e produzione, con una risposta immediata alle variazioni di carico, alta efficienza nelle grandi taglie e capacità di commutazione del combustibile, scaricando gas ad alta temperatura; di contro, necessita di combustibile di “alta qualità”, alte pressioni per il combustibile gas naturale e manodopera specializzata.
• Turbina a vapore: nonostante sia ingombrante e richieda un alto investimento iniziale, fornendo una risposta lenta alle variazioni di carico e necessitando di vapore ad alta entalpia, è in grado di produrre vapore a qualsiasi temperatura e pressione desiderata, impiegando qualsiasi tipo di combustibile e disponendo di un lungo ciclo di vita.
• Ciclo combinato: unisce le tecnologie della turbina a gas e di quella a vapore, garantendo una maggiore efficienza, ma risulta meno conveniente per basse produzioni.
• Motore a combustione interna: adatto per piccole produzioni e con una disponibilità dell’80-90%, costituisce una soluzione versatile con molti motori connessi in parallelo e che recupera calore senza influire sull’energia meccanica, fornendo una buona risposta ai cambiamenti di carico e disponibilità di calore a due livelli di temperatura, fluidi di raffreddamento motore a bassa temperatura e gas di scarico ad alta temperatura.

Trigenerazione

Essa costituisce un particolare campo della cogenerazione in cui l’energia termica recuperata viene utilizzata per produrre energia frigorifera, ovvero per raffreddare il fluido di refrigerazione per il condizionamento o per i processi industriali.

Tale processo può essere realizzato dalle macchine ad assorbimento, in cui il calore derivante dalla cogenerazione serve a separare la miscela formata da una sostanza assorbente, bromuro di litio, che richiede una torre evaporativa per il raffreddamento del condensatore, o ammoniaca, tossica e più costosa, e un refrigerante, acqua, che in tale processo evapora; esso viene quindi mandato ad un condensatore e successivamente, in forma liquida, viene fatto entrare in contatto con i tubi contenenti il refrigerante da raffreddare a pressioni fino a 1/100 di quella atmosferica per far sì che essa evapori nuovamente, evaporatore; per evitare che il vapore formatosi aumenti la pressione, e quindi la temperatura di ebollizione dell’acqua, arrestando in breve tempo il processo di refrigerazione, esso viene assorbito dalla sostanza assorbente, la cui concentrazione viene mantenuta costante grazie al ricircolo da altre parti dell’impianto; l’assorbimento del vapore libera calore, rendendo necessaria la presenza nell’assorbitore di un serpentino in cui circola acqua di raffreddamento.

I vantaggi di questo tipo di macchine risiedono nell’alta affidabilità e vita utile e nelle basse rumorosità, vibrazioni e richieste di energia elettrica; di contro, presentano un costo iniziale più elevato, bassi COP (coefficiente di prestazione) e in alcuni casi la richiesta di pressioni molto basse nell’evaporatore.

4. La macchina ad assorbimento

[cogenerazione 68-78]

Le macchine ad assorbimento realizzano il processo di trigenerazione, che prevede di utilizzare il calore prodotto per generare energia frigorifera.

Nel dettaglio, il calore derivante dalla cogenerazione serve a separare la miscela formata da una sostanza assorbente, bromuro di litio, che richiede una torre evaporativa per il raffreddamento del condensatore, o ammoniaca, tossica e più costosa, e un refrigerante, acqua, che in tale processo evapora; essa viene quindi mandata ad un condensatore e successivamente, in forma liquida, viene fatta entrare in contatto con i tubi contenenti il refrigerante da raffreddare a pressioni fino a 1/100 di quella atmosferica per far sì che essa evapori nuovamente, evaporatore; per evitare che il vapore formatosi aumenti la pressione, e quindi la temperatura di ebollizione dell’acqua, arrestando in breve tempo il processo di refrigerazione, esso viene assorbito dalla sostanza assorbente, la cui concentrazione viene mantenuta costante grazie al ricircolo da altre parti dell’impianto; l’assorbimento del vapore libera calore, rendendo necessaria la presenza nell’assorbitore di un serpentino in cui circola acqua di raffreddamento.

I vantaggi di questo tipo di macchine risiedono nell’alta affidabilità e vita utile e nelle basse rumorosità, vibrazioni e richieste di energia elettrica; di contro, presentano un costo iniziale più elevato, bassi COP (coefficiente di prestazione) e in alcuni casi la richiesta di pressioni molto basse nell’evaporatore.

5. IRE (o PES) e IREC

(COGENERAZIONE, 16-28)

L’IRE, acronimo di Indice di Risparmio Energetico (in inglese PES: Primary Energy Saving), permette di valutare la convenienza degli impianti di cogenerazione rispetto a quelli di produzione separata.

Un valore negativo dell’IRE indica infatti che l’efficienza della cogenerazione è inferiore a quella della produzione separata di energia elettrica e termica; un valore nullo che non c’è differenza tra i due tipi di produzione; un valore positivo che la cogenerazione ha un maggiore rendimento rispetto all’alternativa.

C’è da sottolineare però che i rendimenti di riferimento, della produzione separata, che incidono sul valore dell’IRE e sono stabiliti dalle Autorità cambiano periodicamente, provocando tendenzialmente una diminuzione del valore IRE negli anni per uno stesso impianto di cogenerazione. Tale indice è infatti utilizzato per decretare l’idoneità di un impianto ad essere classificato come “ad alto rendimento”, e conseguentemente ad ottenere dei finanziamenti.

L’IREC, Indice di Risparmio Economico, mostra la convenienza nel produrre energia elettrica con un impianto di cogenerazione rispetto all’acquisto esterno. Infatti, se il costo dell’energia elettrica salirà, l’IREC aumenterà, mostrando il vantaggio degli impianti di cogenerazione, che puntano sull’utilizzo di gas naturale diminuendo l’acquisto esterno di energia elettrica.

Formule (da scrivere solo se richieste esplicitamente):

Dove:

6. Generazione distribuita

[smartgrids sl14-21]

Il termine Generazione Distribuita (GD) è stato coniato per distinguere la produzione di energia elettrica diffusa sul territorio in prossimità degli utilizzatori finali dalla generazione centralizzata di energia in grandi centrali di potenza, carbone, IGCC, nucleare, cicli combinati..., intesa come complemento ad essa.

La GD può essere classificata in base alla tipologia di rete, stand-alone o grid-connected, o per fonte, rinnovabile non programmabile, rinnovabile programmabile, fossile....

I vantaggi della GD sono: sicurezza, poligenerazione, diffusione delle fonti rinnovabili, riduzione delle perdite nei trasporti, maggiore efficienza energetica, grazie al recupero del calore in utenze più piccole, cogenerazione, il quale può anche essere sfruttato per produrre energia frigorifera in impianti di climatizzazione, trigenerazione.

Di contro, la rete elettrica tradizionale, progettata per trasportare energia in modo unidirezionale da pochi impianti centralizzati verso una moltitudine di utenze, è in grado di sopportare quantitativi relativamente modesti di produzione da generazione distribuita. Una diffusione massiccia di fonti rinnovabili, una micro-generazione distribuita, può mettere in crisi il sistema creando numerose inefficienze.

7. Smart grid: definizione e differenze rispetto alla rete tradizionale

[smartgrids sl24-27]

Per smart grid si intende una rete elettrica in grado di integrare intelligentemente le azioni di tutti gli utenti connessi, sia produttori che consumatori, attraverso tecnologie intelligenti di monitoraggio, controllo, comunicazione, self-healing al fine di:

• Facilitare la connessione e l'operatività di generatori elettrici eterogenei di qualunque dimensione e tecnologia.
• Fornire ai consumatori potere di scelta e strumenti per contribuire ad ottimizzare il funzionamento del sistema globale.