Appunti di Sistemi energetici avanzati

6.5 STUDIO DI FATTIBILITÀ TECNICO-ECONOMICA

Per prima cosa, si parte dallo studio di fattibilità tecnica analizzando i consumi elettrici. In particolare, si devono sapere la potenza elettrica impegnata con la rete e l'energia elettrica (kWh) consumata. Per fare questo, sono necessari 1 o 2 anni di bollette e le curve di carico (kW-kWh) settimanali e giornaliere, sfruttando settimane e giornate tipo in modo da analizzare giornate feriali, festive e pre-festive. Dopodiché, devono essere analizzati i consumi termici, sia come tipologia dei consumi, anche in termini di livelli termici e di pressione, che come tipologia di combustibili approvvigionabili e di energia e potenza termica richieste, di cui è necessario il dettaglio giornaliero e mensile. Vanno infine analizzate le tariffe di energia elettrica e di combustibili. Per quanto riguarda la fattibilità economica, si considerano i flussi di cassa positivi, determinati dai ricavi e da una stima dei

fabbisogno non risulta costante né durante la giornata, né durante l'anno. Nelle figure, sono riportati i profili per il periodo estivo in una giornata tipo per un ufficio e i profili annuali. 100A questo punto, si può costruire il diagramma di carico, che esprime il numero di ore per le quali si ha una potenza maggiore o uguale a quella indicata sulle ordinate. Dimensionando l'impianto quindi, si determina quante ore si rimane scoperti. Il diagramma di carico non è completamente indicativo in quanto non esprime la contemporaneità tra la produzione e il consumo.

Si possono quindi avere due tipologie di regolazione: la regolazione termico segue e quella elettrico segue. Nel caso "termico segue", la potenza termica generata dal cogeneratore deve tendere ad essere uguale a quella richiesta dall'utenza. L'energia elettrica in esubero viene immessa in rete, nonostante non sia in generale conveniente la vendita. È usata

30-40% rispetto a quella nominale. Raggiunto questo limite, si accende il cogeneratore e si mette in stand-by la caldaia fino alla potenza nominale. Raggiunto questo valore, il cogeneratore non può fornire ulteriore potenza e dunque si richiede nuovamente l'ausilio di una caldaia. La regolazione può avere anche logiche di controllo più complicate, con la possibile necessità di usare più caldaie ausiliarie.

Quindi, a partire da dati termodinamici come la potenza elettrica richiesta dall'utenza e la portata di vapore, che sono variabili nel tempo, la pressione del vapore, assimilabile alle condizioni sulla curva limite superiore, da cui dunque si ricavano anche temperatura di saturazione ed entalpia, e le condizioni di ritorno dell'acqua, si può ricavare il carico termico dell'utenza:

Per determinare i valori dei due carichi, si fa un'analisi statistica in cui si può considerare il valore medio, il valore minimo e massimo e,

richiesto il calore, si possono usare i grafici di scelta della tipologiadi motore per valutare quale sia il più adatto all’applicazione, come nell’esempio riportato.

Si sceglie dunque il nostro motore da catalogo, in modo che abbia caratteristiche il più possibilisimili a quelle di interesse. Dopodiché, si analizza il ciclo sottoposto ed in particolare la caldaia arecupero. Nel caso in cui la portata di vapore massima che la caldaia riesce a produrre risultiinferiore a quella di riferimento, si può apportare due rimedi: utilizzare una turbina con103rendimento peggiore in modo che la temperatura di scarico sia più alta o introdurre la post-combustione. Quindi, una volta individuato il punto di funzionamento della turbina a gas sceltanel diagramma di contemporaneità, si possono calcolare le performance di cogenerazione:

Si fa dunque a seguire un’analisi del funzionamento in part-load. Per prima cosa, si deveindividuare il range

Di funzionamento del motore in part-load, che va dalla potenza nominale fino a un carico parziale intorno al 30-40%. Dopodiché, si deve fare una distinzione tra le due tipologie di regolazione: nel caso termico-segue, i punti sopra alla retta rappresentano un eccesso di potenza elettrica mentre i punti sotto alla retta rappresentano un difetto di potenza (NB: contrariamente a quanto scritto nel grafico di sx), nel caso elettrico-segue, invece, i punti sopra alla retta rappresentano un fabbisogno di calore, mentre i punti sotto alla retta un esubero di calore. Questo ci dice che c'è bisogno di un'integrazione, che può essere fatta con una post-combustione o con una caldaia ausiliaria. 104A questo punto, note le caratteristiche della macchina, si inseriscono nel grafico le linee di vincolo, che rappresentano il limite per gli incentivi CAR. Da notare che in realtà queste linee non sono rette perché il rendimento non è costante, ma varia con la potenza.

Si passa quindi al dimensionamento della caldaia a recupero del ciclo sottoposto al variare della portata nominale. Per portate di vapore inferiori a quella nominale si può usare una caldaia con ΔT di pinch point maggiori, quindi caldaie più compatte e meno costose. Per portate di vapore superiori invece, si deve tenere il post-combustore costantemente acceso e ΔT di pinch point al minimo, quindi caldaie più grandi e più costose. Dunque, la logica di controllo è la seguente: con la turbina alla massima potenza, se il vapore generato è in eccesso si apre il diverter per diminuire la portata di gas in caldaia, se il vapore generato è insufficiente si accende il post-combustore per aumentare la temperatura dei gas; con la turbina che regola la potenza, se il vapore generato è in eccesso si riduce il carico della turbina con il diverter chiuso, se il vapore generato è insufficiente si accende il post-combustore come nel caso precedente.

Se la portata è inferiore a quella nominale, sia il rendimento totale che il PES diminuiscono perché con il diverter si gettano nel camino gas caldi. Se invece la portata è in eccesso, l'uso del post-combustore rende l'applicazione più simile ad una caldaia pura quindi il rendimento totale aumenta, ma il PES diminuisce. Si deve stare attenti a rimanere sempre sopra ai limiti necessari per ottenere gli incentivi. Le altre condizioni sempre da monitorare in part-load sono la differenza di temperatura di subcooling, la temperatura al camino e la temperatura di post-firing, che ovviamente ha un limite massimo superiore.

1056.7 VALUTAZIONE TERMOECONOMICA

In conclusione, un impianto di cogenerazione non può fare a meno di una valutazione termo-economica, che prende come condizioni di riferimento la situazione attuale con l'acquisto di energia elettrica e di natural gas dalla rete. Le voci da valutare sono riassunte in tabella:

SPESE RISPARM