Configurazione ottimale di un sistema poligenerativo associato ad una rete di teleriscaldamento e teleraffrescamento

CHP

unità ≥

η = 0.75 (9)

globale,unità F

unità

dove:

ˆ E : é pari alla somma dell’energia elettrica e dell’energia meccanica prodotte

unitá

dall’unitá.

Per energia elettrica prodotta dall’unitá si intende la somma dell’energia elet-

trica esportata verso la rete e di quella consumata in loco.

Per energia meccanica si intende l’energia utile a pilotare motori elettrici, quali

pompe, ventilatori, compressori ecc. 26

7.1 Incentivo sulla cogenerazione 7 CALCOLO DEGLI INCENTIVI

ˆ H : é l’energia termica utile cogenerata prodotta dall’unitá.

CHP

ˆ F : é l’energia termica di alimentazione immessa nell’unitá.

unitá

I paramentri energetici principali per il calcolo del Primary Energy Saving (PES)

sono illustrati all’interno del codice Matlab riportato in appendice:

Energia Elettrica prodotta dal sistema: E

Energia Termica prodotta dal sistema: H

Energia in input al sistema (fuel): F

Per il calcolo dei rendimenti da cogenerazione sono state utilizzate le seguenti

equazioni: H

CHP = (10)

Hη F

E

CHP = (11)

Eη F

(E + H)

η = (12)

g F

η rappresenta il rendimento globale del cogeneratore mentre CHP e CHP rap-

g Hη Eη

presentano rispettivamente il rendimento termico e elettrico da cogeneratore.

E’ da tenere conto che nelle varie iterazioni di simulazione, é possibile che la re-

lazione 9 non si verifichi e che quindi il rendimento globale sia piú basso del 75%.

In quel caso si assume che parte dell’energia elettrica/meccanica non sia prodotta in

regime di cogenerazione e quindi bisogna valutare l’unitá virtuale di cogenerazione

per poter continuare ad usufruire dei vantaggi della cogenerazione ad Alto Rendi-

mento.

Vediamo ora come é stata dimensionata l’unitá virtuale:

L’unitá virtuale é quella che, dato il calore utile cogenerato H , produce una

chp

quantitá di energia elettrica E e consuma una quantitá di energia di alimentazione

chp

F , tali da conseguire un rendimento globale pari al valore di soglia previsto dalla

chp

normativa.

Nota l’energia termica utile prodotta in cogenerazione H , la determinazione delle

chp

corrispondenti energie elettrica E e di alimentazione F , in regime di cogen-

chp chp

erazione, viene condotta a partire dal calcolo del “Rapporto effettivo tra energia

prodotta e calore (C )”.

ef f 27

7.1 Incentivo sulla cogenerazione 7 CALCOLO DEGLI INCENTIVI

CHP

Eη

Cef f = ; (13)

−

(0.75 CHP

Eη)

∗

E = C H (14)

CHP ef f

−

E = E E (15)

nonCHP chp

E

nonCHP (16)

F =

nonCHP CHP

Eη

−

F = F F (17)

CHP nonCHP

Dove E é l’energia elettrica non cogenerativa prodotta dal sistema che

non CHP

non partecipa al processo di cogenerazione mentre F rappresenta la parte di

non CHP

energia immessa nel sistema che non partecipa al processo di cogenerazione; vicev-

ersa F é la parte di energia immessa nel sistema che partecipa al processo di

CHP

cogenerazione.

Successivamente il calcolo del risparmio tiene conto dell’unitá virtuale appena di-

mensionata ed é calcolato con la formula seguente:

E H

chp −

Risp = + F ; (18)

chp

η η

e t

ref ref

Dove η e η sono rendimenti di riferimento standard rispettivamente 0.9 e 0.46.

e t

ref ref

Per il calcolo del PES é stata utilizzata la seguente relazione:

1 ∗

− ) 100% (19)

P ES = (1 CHP

CHP Eη

Hη +

Ref Ref

Hη Eη

Dove Ref e Ref sono valori tabellati pari a 0.92 e 0.4867 rispettivamente (Fonte

Hη Eη

GSE).

Vengono di conseguenza calcolati i Titoli di Efficienza Energetica TEE detti

anche Certificati Bianchi CB con la seguente formulazione:

∗ ∗

T EE = 0.086 K Risp (20)

Dove Risp é il risparmio annuo di energia in MWh/y calcolato precedentemente,

mentre K é un coefficiente che dipende dalla taglia del cogeneratore.

ˆ Se la taglia del cogeneratore é maggiore o uguale a 1MWe allora K=1.

ˆ Se la taglia del cogeneratore é minore di 1 MWe allora K=1.4. 28

7.2 Incentivo sul Solare Termico 7 CALCOLO DEGLI INCENTIVI

Una volta calcolato il numero di Certificati Bianchi, si attribuisce un valore al

singolo certificato seconod quanto riportato sul sito del GSE. Attualmente (2019) il

GSE riporta un valore di 250e/TEE. Cautelativamente é stato utilizzato un valore

di 150e/TEE non potendone prevedere l’andamento futuro.

Di conseguenza l’incentivo finale per la cogenerazione é calcolato con la seguente

equazione: ∗

Incentivo = T EE P rezzo (21)

CHP T EE

7.2 Incentivo sul Solare Termico

L’incentivo sulla realizzazione di un impianto solare termico é regolato dal Decreto

MISE del 16/02/2016 [11]. L’incentivo per solare termico nel nostro caso é definito

prevalentemente da un unico parametro, la superficie lorda di occupazione dei col-

lettori solari.

A seconda dell’inclinazione dei moduli solari, essi occuperanno una superficie dif-

ferente e varierá anche il numero di moduli solari che é possibile installare in un

determinato spazio senza creare ombreggiamento.

E’ quindi molto importante poter posizionare i moduli in modo che ogni fila non

crei ombreggiamento sulle file posteriori.

Viene quindi calcolata la distanza D tra le file di moduli, dipendente dall’angolo

di inclinazione α, l’angolo β relativo alla posizione del Sole e l’altezza dei moduli

solari. sin(α)

∗ ∗

D = H cos(α) + H (22)

coll coll tan(β)

Un altro parametro importante é il Q detto Resa Wurzburg calcolato in kWh/anno

U

e dipende dalla temperatura del fluido termovettore all’interno dei collettori solari.

Una temperatura del fluido piú elevata porterá inevitabilmente una resa piú bassa

a causa delle maggiori perdite.

°

Secondo la temperatura di 75 C i dati di targa del collettore solare utilizzato per

l’analisi presenta un valore Q pari a 638 kWh/anno.

U

L’incentivo solare é calcolato nel seguente modo:

∗ ∗

Incentivo = Q C Sup (23)

i

U LORDA

Solare

Dove C é un coefficiente di valorizzazione dell’energia termica prodotta, stret-

i

tamente dipendente dalla superficie lorda di installazione dei collettori solari.

Di seguito é riportata la tabella per la determinazione del coefficiente C :

i 29

7.2 Incentivo sul Solare Termico 7 CALCOLO DEGLI INCENTIVI

Figure 11: coefficients of valorisation of thermal energy produced by solar thermal systems

Source: GSE Allegato DM 16/02/2016 [10] 30

8 SCENARI PROPOSTI

8 Scenari di ammodernamento proposti

L’ottimizzazione dell’impianto é stata effettuata simulando 3 principali scenari,

aventi come funzione obbiettivo la massimizzazione dell’NPV (Net Present Value).

Per ogni scenario sono state effettuate 2 simulazioni, una senza nessun vincolo sui

vari componenti, mentre l’altra pre-fissando la taglia della caldaia in modo da co-

prire il picco massimo di domanda dell’energia termica.

La massima richiesta di energia termica si verifica ovviamente nei mesi invernali ed

é attorno ai 4MW; in modo cautelativo é stato deciso di simulare in questo caso

un’installazione di una caldaia da 5MW per non far lavorare la caldaia al limite.

8.1 Configurazione ottimale Scenario 1

La prima proposta ha come componenti principali il cogeneratore, affiancato ad una

caldaia, per la produzione di calore e quindi responsabili del della copertura della

domanda della rete di teleriscaldamento.

Si é inoltre ipotizzata la presenza di un’assorbitore il quale, ricevendo calore prodotto

dal CHP, produce energia termica per il raffrescamento supportando il Chiller elet-

trico giá presente in assetto ante operam; di conseguenza l’assorbitore e il chiller

elettrico sono i componenti utili al teleraffrescamento.

E’ stato previsto poi l’utilizzo di un’accumulo termico ad acqua calda, utilizzato

come backup o per soddisfare i picchi di energia termica richiesta, oppure ancora

per il funzionamento notturno; vedremo poi in seguito come verrá utilizzato nei vari

scenari.

Di seguito sono riportate le varie taglie dei componenti ottenuti come risultato della

simulazione realizzata mediante Pattern Search:

No vincoli:

ˆ CHP: 501 kW.

ˆ BOILER: 2000 kW.

ˆ ABSORBER: 251 kW.

ˆ CHILLER: 2252 kW

ˆ STORAGE: 5500 kWh

Vincolando la taglia della caldaia a 5MW: 31

8.1 Configurazione ottimale Scenario 1 8 SCENARI PROPOSTI

ˆ CHP: 751 kW.

ˆ BOILER: 5000 kW.

ˆ ABSORBER: 251 kW.

ˆ CHILLER: 2252 kW

ˆ STORAGE: 7250 kWh

Vediamo subito come, nel primo caso senza nessun vincolo, la taglia ottimale

della caldaia sia ben al di sotto del picco della richiesta di energia termica con una

dimensione importante del sistema di accumulo. In questo modo si accumula calore

da poter utilizzare successivamente a copertura del carico termico. Questo implica

un grosso risparmio sia in termini di costo di installazione della caldaia, ma anche

di costo di esercizio della caldaia, in quanto parte del gas non verrá piú utilizzato

in caldaia ma in cogenerazione e di conseguenza é piú facile che il gas utilizzato in

cogenerazione sará defiscalizzato.

Nel caso con vincolo della taglia della caldaia a 5MW, vediamo come le taglie otti-

mali del cogeneratore e dell’accumulatore si siano alzate.

Questo é dovuto al fatto che si preferisce produrre un pó piú energia termica da

cogeneratore per poter accumulare e utilizzare lo storage per coprire la richiesta di

calore notturna e il primo picco di richiesta energetica mattutina.

Riportiamo di seguito i database utilizzati per il dimensionamento dei vari com-

ponenti e i relativi andamenti prestazionali, nonché i costi di investimento per ogni

componente simulato.

I prezzi di costo dell’investimento sono stati prelevati dal documento ”Renewable

Energy and Energy Efficiency” di Aidan Duffy & Co [6]. 32

8.1 Configurazione ottimale Scenario 1 8 SCENARI PROPOSTI

Per quanto riguarda il cogeneratore, si é deciso di utilizzare il database dello

Jenbacher serie j208-624 alimentato a Gas Naturale con 1500 rpm a 50Hz:

Figure 12: CHP Jenbacher Database (Source [12]).

(a) CHP Investiment Cost data

(b) CHP Investiment Cost 33

8.1 Configurazione ottimale Scenario 1 8 SCENARI PROPOSTI

Per quanto riguarda la caldaia é stato utilizzato il database della casa Baltur

della serie Startre, mentre il costo di investimento é stato stimato e mantenuto ad

e/kW

un valore costante di 84 . Si riposta il database di seguit