Trigenerazione tesina

2. IMPIANTO TRIGENERATIVO APPLICATO AD UNA

COSTRUZIONE PREESISTENTE

Un esempio di costruzione dotata di sistemi di climatizzazione, di processo e

produzione di acqua calda sanitaria non ottimizzati, può essere un industria

alimentare la quale lavora per 16 ore al giorno per 5 giorni a settimana e richiede:

una potenza elettrica costante nell’arco dell’anno di 200kw.

potenza elettrica richiesta (kWe)

220

200 Potenza

elettrica

(kWe)

180 novem… dicemb…

settem… ottobre

agosto

giugno

gennaio maggio

aprile

marzo

febbraio luglio

Una potenza termica media riportata nel grafico.

potenza termica (kWt)

350

300

250

200

150 potenza termica

100 (kWt)

50

0 gennaio giugno agosto

aprile ottobre novembre dicembre

luglio

febbraio maggio

marzo settembre

ISIS “Segato-Brustolon” A.S. 2014/2015 -TRIGENERAZIONE- 2

Una potenza frigorifera media riportata nel grafico:

Potenza frigorifera media (kWf)

160

140

120

100

80 Potenza frigorifera

60 (kWf)

40

20

0 giugno

gennaio agosto

aprile dicembre

novembre

ottobre

maggio luglio

marzo

febbraio settembre

I grafici che appaiono sopra descrivono le condizioni dell’ industria senza l’utilizzo

di un trigeneratore, ovvero con l’ausilio totale della rete elettrica, caldaie per il

riscaldamento e chiller per la refrigerazione.

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3. REALIZZAZIONE DELL’IMPIANTO DI

TRIGENERAZIONE

Per prima cosa è stato scelto il cogeneratore in funzione del fabbisogno di potenza

termica per ACS e della richiesta di potenza frigorifera ed è stata individuata una

taglia che permettesse di massimizzare il numero di ore di funzionamento giornaliero

sia in configurazione invernale che estiva. Quindi per far si che il sistema funzioni è

necessario, in quanto non è presente in commercio un gruppo trigenerativo

completo, accoppiare al cogeneratore una macchina frigorifera ad assorbimento la

quale produrrà il freddo. L’impianto di trigenerazione è stato dimensionato per

produrre in condizioni nominali 140kW elettrici e 207 kW termici che verranno

utilizzati come di seguito riportato:

• 140 kW elettrici saranno destinati totalmente ad autoconsumo del centro e verranno

consegnati in BT presso la cabina di trasformazione preesistente;

• 207 kW termici verranno utilizzati: in inverno per integrare la produzione di energia

termica necessaria al riscaldamento dello stabilimento; in estate, 150 kW

alimenteranno il gruppo frigo ad assorbimento producendo 110 kW frigoriferi (che

andranno ad integrare i gruppi frigo tradizionali preesistenti), mentre i restanti 57 kW

saranno destinati alla produzione di acqua calda sanitaria.

3.1 BILANCIO TERMICO DEL MOTORE

Il motore selezionato per l’impianto di trigenerazione è mostrato in figura, è motore

alimentato a gas metano della MAN tipo E 2876 E 312 ciclo Otto – 4 tempi, ha 6

cilindri e produce ca. 150 kW meccanici.

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Da questa tabella è stato possibile ricavare i dati utili per dimensionare l’impianto in

termini energetici.

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3.2 CONFIGURAZIONE IMPIANTO ESTIVA-INVERNALE

La configurazione dell’impianto in regime estivo e invernale è riportata nella figura

seguente, nella quale si può notare dove sono situati i vari componenti:

Quando l’impianto termico non viene utilizzato, l’energia termica è impiegata per

produrre quella frigorifera grazie ad un gruppo frigorifero ad assorbimento. Il ciclo

semplificato è così composto:

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3.3 GRUPPO DI ASSORBIMENTO: FUNZIONAMENTO DEL CICLO

La termodinamica definisce “calore” una forma di energia che si trasferisce da un

sistema a un altro, a seguito di una differenza di temperatura tra i due sistemi e la

trasmissione del calore si manifesta una regione ad alta temperatura verso un’altra a

temperatura inferiore. Raffreddare significa quindi sottrarre energia termica ad un

sistema per processo naturale quando il transito attraverso il suo contorno avviene

verso un sistema a temperatura inferiore.

Come già detto, il calore fluisce spontaneamente nel verso delle temperature

decrescenti e questo processo di scambio termico avviene naturalmente, senza che si

abbia bisogno di particolari dispositivi. Poiché il processo contrario non avviene

spontaneamente, lo scambio di calore da corpi a bassa temperatura verso corpi a più

alta temperatura necessita di apparecchiature speciali, dette macchine frigorifere. Le

macchine frigorifere operano secondo un ciclo termodinamico impiegando un fluido

evolvente detto refrigerante. Il ciclo termodinamico più comunemente usato per il

funzionamento delle macchine frigorifere è quello a “compressione” che si realizza

impiegando quattro componenti principali: un compressore, un condensatore, una

valvola di laminazione e un evaporatore. Affinché tali macchine frigorifere possano

realizzare il ciclo frigorifero è indispensabile disporre di un’energia (elettrica)

utilizzata come lavoro necessario per passare da una condizione di bassa pressione ad

un’altra di alta pressione. Sebbene il ciclo a compressione elettrica sia ancora oggi il

più diffuso, è possibile realizzare una macchina frigorifera con analoghi risultati,

senza l’impiego di grandi potenze elettriche:

questo risultato si ottiene mediante il ciclo ad assorbimento. Il ciclo termodinamico

di una macchina ad assorbimento si realizza con un processo analogo a quello a

compressione elettrica ma le diverse condizioni tra l’alta e la bassa pressione sono

ottenute mediante una sostanza assorbente in luogo al compressore, mentre il fluido

evolvente è costituito da una sostanza comunemente chiamata “Acqua”. Il risultato

che si ottiene è quello di una macchina frigorifera silenziosa,affidabile, efficiente ed

ecologica.

Un tipico refrigeratore a compressione utilizza l’energia elettrica come forza motrice

per convogliare il calore da un ambiente a bassa temperatura verso un pozzo. Nel

caso di un refrigeratore ad assorbimento, tale compito viene svolto mediante una

fonte di energia termica derivante da acqua calda, acqua surriscaldata, vapore, fumi,

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gas o olii combustibili. E’ noto che il raffreddamento dell’acqua si ottiene grazie al

calore latente rilasciato da un liquido durante l’evaporazione, inoltre nelle macchine

frigorifere è necessario riportare il vapore generato nuovamente in fase liquida. A

questo scopo un refrigeratore a compressione utilizza il compressore elettrico mentre

un assorbitore usa l’assorbente. La capacità di assorbimento dell’assorbente

diminuisce con il progressivo assorbimento del vapore, aumentando così la sua

diluizione. Per recuperare la capacità di assorbimento sarà poi necessario riscaldare

la soluzione diluita ed effettuare un processo di concentrazione. Tale riscaldamento

viene ottenuto in uno dei principali componenti della macchina ad assorbimento: il

generatore di alta temperatura, il quale può essere alimentato mediante diverse fonti

energetiche. La tipologia di gruppo di assorbimento scelto è il seguente:

“tipo Broad- SYBDH20”-110kWf (LiBr)

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4. UNIONE TRA VECCHIO IMPIANTO ENERGETICO E

GRUPPO TRIGENERATIVO

(CALCOLO RISPARMIO ENERGETICO E COSTI)

Nel grafico successivo si potrà notare il carico medio stagionale richiesto e la

potenza termica che il cogeneratore fornisce. Quindi si andrà ad integrare l’impianti

in modo che soddisfi una percentuale della potenza media richiesta per ogni mese e

in base a questo verranno fatti dei calcoli sul risparmi energetico ed economico

mettendo a confronto la situazione precedente e quella migliorativa.

La linea rossa nel grafico indica il carico medio stagionale e comprende potenza

termica richiesta, potenza termica necessaria alla macchina di assorbimento per

fornire la potenza. La linea verde evidenzia solamente la potenza termica richiesta

per usi termici ed infine la linea blu delinea l’andamento della potenza termica che è

in grado di produrre il cogeneratore. Per ricavare la potenza media è stato necessario

calcolare l’efficienza dell’ assorbitore che è il rapporto tra energia termica immessa

ε = 1,3

ed energia frigorifera ottenuta.

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4.1 ENERGIA ELETTRICA CONSUMATA SENZA COGENERATORE

Per calcolare l’energia elettrica consumata dall’industria è necessario tenere conto

della potenza annua che serve per la produzione e della potenza elettrica annua per

ottenere acqua refrigerata.

Come è possibile notare nei due grafici sottostanti la richiesta annuale per la

produzione è costante, mentre per raffreddare varia in base alla necessità. Per

ottenere la potenza elettrica da quella frigorifera basta dividere il carico mensile

frigorifero per il EER (Energy efficiency ratio) che è 2,8. Dopodiché per

determinare l’energia elettrica consumata per la produzione bisogna fare il seguente

calcolo: giorni lavorativi anno =

EN. EL. Prod. = Pot.El. * n° ore giorno * n°

200 * 16 * 260 = 832000kWhe

Per l’energia elettrica per raffreddare invece deve essere analizzato il cario mese per

mese perché non è costate e quindi varia:

EN. EL. Freddo = Pot.El. mensile * n° ore giorno * n° giorni lavorativi mensili

EN. EL. Freddo = 84421kWhe

EN. EL. Totale consumata = 916421kWhe

potenza elettrica richiesta (kWe)

220

200 Potenza

elettrica (kWe)

180

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potenza elettrica per raffreddare (kWe)

60 53,6

50 42,8 42,8

40 potenza

35,7 elettrica (kWe)

30 21,4

20

10 7,1 7,1 7,1 7,1 7,1 7,1 7,1

0

4.2 ENERGIA TERMICA CONSUMATA SENZA COGENERATORE

Per calcolare l’energia primaria termica consumata in un anno è necessario tener

conto delle singole potenze fornite per ogni mese e moltiplicarle per le ore di

funzionamento giornaliere, numero di giorni mensili lavorativi e dividere il tutto per

η=

il rendimento della caldaia che in questo caso è 0,85 : η

EN. Term. = Pot.Term. mensile * n° ore giorno * n° giorni lavorativi mensili/

EN. Term. = 609317 kWht

potenza termica richi