Sistemi energetici

Sistemi Energetici

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Indice

1 Conversione dell’energia 5

1.1 Principi di conversione dell’energia . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5

2 Impianti Termo-elettrici a vapore 21

2.1 Ciclo Rankine (a vapore) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21

2.2 Assetti co-generativi CHP . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30

2.3 Impianti Geo-termoelettrici . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33

2.4 Ciclo Rankine a fluido organico (ORC) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35

3 Turbogas 41

3.1 Ciclo turbogas inter-refigerato . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49

3.2 Ciclo Rigenerativo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51

3.3 Ciclo con Ri-combustione . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55

3.4 Ciclo Ericsson . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57

3.5 Classificazione dei turbogas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58

4 Impianti a ciclo combinato 81

4.1 Caldaia a recupero vs. Caldaia a fuoco . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 86

4.2 Assetti del ciclo a recupero . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 91

4.3 Cicli combinati con post-combustione . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 94

4.4 Repowering . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 95

4.5 Assetti co-generativi (CHP) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 99

5 Motori Volumetrici Alternativi 103

6 Impianti Frigoriferi 109

6.1 Cicli a compressione di vapore . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 109

6.1.1 Monostadio . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 111

6.1.2 Multi-stadio . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 113

6.1.3 Modalità Pompa di Calore . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 114

6.2 Componenti d’impianto . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 115

6.3 Macchine frigorifere a compressione . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 117

6.4 Cicli ad assorbimento . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 119

7 Impianti idroelettrici 125

7.1 Risorsa Idrica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 125

7.2 Impianti di Pompaggio . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 127

7.3 Turbine Idrauliche . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 128

7.4 Scelta della macchine e Dimensionamento . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 132

3

4 INDICE

8 Impianti eolici 135

8.1 Risorsa Vento . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 136

8.2 Turbine Eoliche . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 137

8.3 Turbine Off-Shore . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 141

9 Impianti Fotovoltaici 143

9.1 Risorsa Solare . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 143

Capitolo 1

Conversione dell’energia

1.1 Principi di conversione dell’energia

P otenza : Energia = P ortata : M assa

·

Energia = P otenza T empo

, mentre l’energia in

La potenza si misura in kCal Joule (J), kW h (M W h), BT U (∼

W att(W ), BT U h, h Il toe (tonnellate equivalenti di petrolio)

1055 J), kCal (∼ 4, 18 kJ), tep/toe (∼ 42 GJ).

esprime, essendo un unità di misura dell’ energia un dato in un arco temporale, infatti

l’energia è l’integrale di una potenza: Z

E = P ot dx

Nel corso vengono analizzate gli impianti nelle condizioni di design , mentre

(on-design)

nella realtà non si riesce a lavorare in questa condizione ma ci si trova in quella che prende

il nome di Queste ultime dipendono fortemente dal tipo di impianto, basti

off-design.

infatti pensare all’ambito fotovoltaico che dipende dalla radiazione solare.

Figura 1.1: schema conversione dell’energia

5

6 CAPITOLO 1. CONVERSIONE DELL’ENERGIA

Nell’immagine 1.1 possiamo osservare vari componenti. Per si

sistema energetico

intende qualunque componente che ha bisogno di un input energetico per restituire energia

finale all’output, ad esempio le caldaie ricevono energia primaria come il gas in ingresso e

restituiscono calore in uscita. Ogni sistema energetico reale prevede la non conversione di

una parte dell’energia, che costituirà l’energia dissipata.

−

E = E E

dissipata prodotta f inale

E P ot

f inale out

P otenza = oppure P otenza =

∆t P ot in

Mentre il rendimento di conversione: E P ot

f inale out

η = =

conv E P ot in

prodotta

Infine esistono vari tipi di energia:

• energia fossile:

carbone

– petrolio

– gas naturale

–

• energia rinnovabile:

energia solare

– energia eolica

– energia geotermica

– biomasse

– acqua

– in Italia gli impianti idroelettrici usano i corsi d’acqua, i più grandi sono

Osservazione:

già sufficientemente sfruttati e per tale motivo risulta molto difficile costruirne di grandi

dimensioni, inoltre la loro produzione risulta molto variabile visto l’anomalo andamento

delle precipitazioni con annate molto piovose e altre con la loro totale assenza. 7

1.1. PRINCIPI DI CONVERSIONE DELL’ENERGIA

L’energia finale più pregiata risulta essere l’energia elettrica poichè è molto facile da

trasportare e permette di alimentare dispositivi differenti

Figura 1.2

Figura 1.3

Da quest’immagine si può vedere il bilancio energetico nazionale, il settore elettrico

comporta circa dei consumi totali con un coperto dal rinnovabile, quello settore

1 38, 1%

4

termico coperto dal del rinnovabile, mentre quello dei trasporti con un

12 14

19, 9% 10, 7%

8 CAPITOLO 1. CONVERSIONE DELL’ENERGIA

rinnovabile.

Analizzando il bilancio energetico nazionale attraverso il di richiesta elet-

profilo orario

trica si possono fare alcune considerazioni, tendenzialmente questa analisi viene fatta in un

particolare giorno dell’anno che fino a qualche anno fa era il terzo mercoledì di dicembre,

mentre ora non è più considerato siccome si è osservato che nel periodo estivo si ha una

richiesta maggiore dettata dal fatto che per via delle elevate temperature si ha un maggior

utilizzo dei sistemi di refrigerazione e condizionamento e perciò risulta più rappresentativo.

Figura 1.4

Si può fare un confronto tra mesi diversi, il picco estivo è maggiore di quello invernale,

come anche l’andamento pomeridiano e la sella centrale è meno pronunciata. 9

1.1. PRINCIPI DI CONVERSIONE DELL’ENERGIA

Come si può vedere la curva presenta un andamento particolare, infatti durante la metà

della giornata si ha una sella, mentre alla mattina presto e nel tardo pomeriggio si ha una

decrescita della richiesta fino ad arrivare alla notte dove si raggiunge una diminuzione di

quasi il rispetto ai periodi più elevati.

60% Figura 1.5

Dalla figura la linea grigia risulta essere la produzione di energia elettrica italiana ed

è data dalla somma di tutti i sistemi produttivi presenti in Italia, mentre quella rosa è il

consumo interno lordo. Si vede subito come non c’è la totale copertura perchè una parte

dell’energia viene acquistata da paesi come Francia e Svizzera. Questo poichè costa meno al

rispetto che a produrla da sè per via del fatto che in Italia sono presenti impianti ormai

kW h

obsoleti rispetto a quelli d’oltrealpe, infatti questi paesi hanno anche impianti nucleari, che

comportano una spesa iniziale molto alta ma la quale viene tutta ammortizzata nel corso

del tempo anche perchè il costo produttivo risulta molto basso.

• Termoelettrico, profilo rosso, si cerca di mantenerlo circa a carico costante poi-

chè si vuole avere una produzione costante anche perchè i transitori di accensio-

ne, spegnimento e successiva ri-attivazione degli impianti risultano molto lunghi e

dispendiosi.

• Idroelettrico (fluente, bacino, serbatoio) è il profilo blu, viene usato molto in inverno

per coprire il mattino ed il pomeriggio.

• Fotovoltaico (bourdeaux) ha una produzione riservata al giorno, ed è molto basso in

inverno.

• Geotermico (giallo), andamento pressochè costante ma basso.

l’assorbimento istantaneo in italia è di circa , mentre quello annuale

50 GW

Osservazione:

. Sempre dall’immagine 1.5, il grafico a sinistra mostra la cosiddetta

300 T W curva di

che permette di capire il numero di ore dell’anno in cui la potenza richiesta è

durata,

10 CAPITOLO 1. CONVERSIONE DELL’ENERGIA

stata uguale o superiore al valore riportato in ordinata. Per esempio per ore all’anno

3000

la potenza richiesta sulla rete è stata maggiore di 4000.

Figura 1.6

Da quest’ultima immagine si vede come gli impianti termoelettrici (rosso) presentano

una diminuzione dell’andamento perchè negli ultimi anni molti impianti obsoleti sono stati

chiusi. Gli impianti vengono detti

Osservazione: Eolici e Fotovoltaici non programmabili,

cioè non si può accumulare la fonte energetica, hanno inoltre una sorta di via preferenziale

per immettere energia nella rete, mentre gli altri sistemi si adattano. In alcuni grafici

si possono avere degli andamenti negativi, questo è dovuto agli impianti di pompaggio,

infatti alcuni impianti idroelettrici hanno un sistema di pompe che riporta l’acqua da

valle a monte. Dal punto di vista energetico questa operazione ha poco senso, ma viene

fatta per una ragione economica, infatti anni fa veniva fatto durante la notte quando il

costo dell’elettricità era minore mentre ad oggi viene fatto quando si ha un esubero del

fotovoltaico al fine di non sprecare energia e anche perchè la differenza di costo dell’energia

tra giorno e notte non è più rilevante. 11

1.1. PRINCIPI DI CONVERSIONE DELL’ENERGIA

Figura 1.7

legenda:

• impianti di sola produzione elettrica:

ICE: internal combustion engine

– GT: gas turbine

– ST: steam turbine (turbine a vapore)

– CC: cicli combinati

– ICE: internal combustion engine

– GT: gas turbine

– CC: cicli combinati

– ST back

– ST cond

–

si osserva come l’eolico pesa il di produzione mentre il fotovoltaico il

7, 2% 8, 7%.

Un metodo per capire se stiamo/quanto stiamo sfruttando un impianto è analizzare il

Per si intende è un parametro che ci da l’indicazione di

HEQ. HEQ ore equivalenti,

quanto stiamo sfruttando un impianto energetico, infatti quest ultimo può trovarsi in varie

configurazioni, a carico massimo o parziale. Il massimo valore di produzione lo abbiamo

in condizioni di design. E

heq = P nom

dove con si intende l’energia effettivamente erogata, mentre con la potenza nomi-

E P nom

nale dell’impianto. Ad esempio per l’impianto fotovoltaico in figura 1.7 lavorava per 4000

ore all’anno ma è come se avesse lavorato al massimo per 1108 ore. Si osserva come gli

impianti che fanno cogenerazione anche se sono in minore numero producono molto di più.

12 CAPITOLO 1. CONVERSIONE DELL’ENERGIA

Cogenerazione (CHP)

La cogenerazione ha preso piede a metà degli anni 90 quando le grandi imprese hanno

capito che costava meno auto-produrre energia elettrica con conseguente produzione di

calore per l’azienda stessa. Ha permesso anche di spegnere impianti molto inquinanti come

le caldaie a gasolio. Gli stessi impianti di teleriscaldamento si sono sviluppati grazie alla

cogenerazione.

Per si intende la produzione combinata di elettricità e calore, entrambi

cogenerazione

intesi come effetti utili, in un processo in cascata. La modalità può essere di due tipi:

• in cui la produzione elettrica è effettuata con un ciclo termodinamico ad

Topping:

alta temperatura e quella termica è conseguente al rilascio di calore dal ciclo. Si parte

da energia primaria (chimica) che alimenta un ciclo termodinamico che converte una

parte del lavoro in energia elettrica e calore. Una parte di quest’ultimo lo si riesce a

recuperare anche se a bassa temperatura e la cogenerazione la si riesce a fare solo se

si ha un sistema che lavora alla temperatura con cui il calore viene scaricato.

• in cui il calore entrante nel ciclo di potenza è il cascame termico di un

Bottoming:

processo industriale ad alta temperatura (produzione di ceramiche, cementifici, ac-

ciaierie, . . . ). Il combustibile viene bruciato per produrre calore ad alta temperatura

(ad esempio altoforno) e successivamente il calore viene scaricato e usato per alimen-

tare un ciclo termodinamico che userà questo calore per produrre elettricità. Il ciclo

termodinamico in questo caso è sacrificato poichè usa calore ad una temperatura più

bassa. Figura 1.8

Rispetto alla produzione separata delle stesse quantità di energia elettrica e calore, la

produzione combinata, se efficace, comporta:

• un conseguente al minor consumo di combustibile;

risparmio economico 13

1.1. PRINCIPI DI CONVERSIONE DELL’ENERGIA

• una riduzione dell’impatto ambientale, conseguente sia alla riduzione delle emis-

sia al minor rilascio di calore residuo nell’ambiente (minor inquinamento at-

sioni

mosferico e minor inquinamento termico);

• e distribuzione per il sistema elettrico nazionale,

minori perdite di trasmissione

conseguenti alla localizzazione degli impianti in prossimità dei bacini di utenza;

• la sostituzione di modalità di fornitura del calore meno efficienti e più inquinanti

(caldaie, sia per usi civili sia industriali, caratterizzate da più bassi livelli di efficienza)

Figura 1.9

Da quest’ ultima immagine si vede che per produrre 40 unità di energia elettrica e 40

unità di calore usando la cogenerazione costa 100 unità di energia primaria, usando invece

metodi tradizionali ne dovrei usare 144 di energia primaria.

La produzione combinata di energia elettrica e calore trova applicazione sia in ambito

industriale, sia in ambito civile. Il calore, che per evitare costi e perdite eccessive non

può essere trasportato per lunghe distanze, viene utilizzato nella forma di vapore o di

acqua calda/surriscaldata, per usi di processo industriali o civili (es. riscaldamento urbano

tramite reti di teleriscaldamento) o nella forma di aria calda, per processi industriali di

essiccamento, mentre l’energia elettrica, che può contare su un’estesa rete di distribuzione,

viene auto-consumata oppure immessa in rete. Le utenze privilegiate per la cogenerazione

sono quelle caratterizzate da una domanda piuttosto costante nel tempo di energia termica

e di energia elettrica, come ospedali, piscine e centri sportivi, centri commerciali oltre che

industrie alimentari, cartiere, industrie legate alla raffinazione del petrolio ed industrie

chimiche.

L’uso del calore cogenerato come alimentazione di macchine frigorifere ad assorbimento per

la produzione di acqua refrigerata prende il nome di (CCHP, Combined

trigenerazione

Cooling Heat and Power). In ambito domestico la cogenerazione viene chiamata micro-

cogenerazione.

14 CAPITOLO 1. CONVERSIONE DELL’ENERGIA

Come si gestisce un impianto di cogenerazione?

Figura 1.10

Dalla figura 1.15 possiamo capire come dimensionare l’impianto: ad esempio si potrebbe

dimensionare sulla potenza elettrica nominale (viola), in quanto riesco a coprire tutto il

fabbisogno ma sovradimensiono, un altro modo sarebbe quello di farlo sulla potenza termica

nominale (azzurro), dove nelle ore in cui c’è un picco di richiesta riesco a recuperare calore,

mentre nel momento in cui la richiesta è bassa butto via calore. Gestire quindi un impianto

usando un metodo di taglia costante non è la scelta migliore. Un impianto di cogenerazione

può operare in modi diversi che dipendono dal criterio su cui si basa la regolazione della

produzione di energia elettrica/meccanica e di energia termica utile:

• l’impianto CHP si ac-

Inseguimento del carico termico (Heat-match mode),

corda con il profilo termico dell’utenza («termico segue»), producendo istante per

istante l’energia termica richiesta dall’utenza. In questo caso non è generalmente

possibile soddisfare anche la richiesta di energia elettrica (in eccesso o in difetto) e

la compensazione avviene tramite scambi con la rete. L’andamento mostra che in

alcune fasce orarie l’impianto produce di più di quanto sia la richiesta (curva gialla

sopra quella verde). Figura 1.11 15

1.1. PRINCIPI DI CONVERSIONE DELL’ENERGIA

• Copertura del carico termico di base (Base thermal load matching mode),

l’impianto CHP produce l’energia termica di base richiesta dall’utenza (carico termico

minimo), mentre la modulazione avviene con sistemi ausiliari di produzione di energia

termica. In questo caso l’impianto funziona al carico nominale (soluzione tipica

di impianti poco flessibili, come impianti a combustibili solidi. Risulta il metodo

migliore, più efficiente e più utilizzato.

Figura 1.12

• L’impianto CHP

Inseguimento del carico elettrico (Electricity-match mode),

si accorda con il profilo elettrico dell’utenza («elettrico segue»), producendo istante

per istante, l’energia elettrica richiesta dall’utenza. In questo caso non è general-

mente possibile soddisfare la richiesta di energia termica (in eccesso o in difetto) e

la compensazione avviene attraverso sistemi ausiliari di produzione termica, di ac-

cumulo termico, di dissipazione termica. L’impianto sarà meno efficiente poichè la

cogenerazione sarà minore, si adatta ad una logica speculativa di mercato.

Figura