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Studi di fattibilità di
impianti di cogenerazione.
Che cosa
significa cogenerazione
La cogenerazione è un modo elegante per superare i
vincoli di rendimento di trasformazione di energia
termica in energia meccanica-elettrica imposti dalla
natura e inquadrati dal secondo principio della
termodinamica.
In sintesi il primo principio della termodinamica
afferma che c'è una equivalenza fra energia termica ed
energia meccanica mentre il secondo principio afferma
che non è possibile, neppure teoricamente, trasformare
interamente l'energia termica in energia meccanica.
Il rendimento di trasformazione dipende dal rapporto fra
le temperature a cui lavora il ciclo quindi dalla
disponibilità di due fonti di calore ad alta e bassa
temperatura .
Pertanto una parte del calore disponibile ad alta
temperatura viene trasformato in energia meccanica
"NOBILE" mentre la restante parte viene ceduta alla
fonte a bassa temperatura.
Normalmente le due temperature sono limitate
rispettivamente dalla resistenza dei materiali e dalla
temperatura ambiente.
L'originalità della cogenerazione sta nel trovare un
utilizzo per il calore refluo, che normalmente viene
ceduto alla fonte a bassa temperatura, con conseguente
risparmio dell'energia che si sarebbe dovuta consumare
per produrlo.
In tal modo la trasformazione di energia termica in
energia "NOBILE" è pressoché totale, salvo i rendimenti
fluidodinamici e meccanici delle macchine.
Fino a pochi anni fa, stante la tecnologia, era
possibile realizzare solo cicli cogenerativi a vapore.
Si produceva vapore ad alta temperatura e pressione, lo
si faceva espandere in una turbina a vapore a
contropressione e si utilizzava per il processo il
vapore refluo, a bassa pressione e temperatura,
scaricato dalla turbina.
La novità di questi ultimi anni è quella di poter
realizzare il ciclo in modo completamente differente,
con l'utilizzo delle turbine o dei motori a gas.
Il ciclo si modifica in quanto il combustibile viene
bruciato non in una caldaia ma in un turbogas o in un
motore a gas, ottenendo energia meccanica-elettrica e
utilizzando i fumi reflui ad alta temperatura, intorno
ai 500 gradi Centigradi, per usi tecnologici.
A questo punto sono possibili due soluzioni:
- L'una che consiste nell'utilizzo dell'energia termica
reflua tal quale ed è denominato ciclo semplice ;
- L'altra nell'utilizzo dell'energia termica per la
generazione di vapore ad media pressione e temperatura
da far poi espandere in turbina a vapore come nella
soluzione tradizionale ed è denominato ciclo combinato ;
Il grosso problema degli impianti di cogenerazione
mediante turbogas è legato alla regolazione.
Difficilmente infatti l'utenza termica è costante nel
tempo, normalmente questa è variabile sia nell'arco
dell'ora sia nell'arco della giornata che nell'arco
dell'anno.
Le variazioni graduali possono essere affrontate con una
adeguata progettazione e con tecniche che variano a
seconda del tipo di ciclo.
Per i cicli semplici o combinati con solo turbina a
vapore a contropressione, la variazione della portata di
vapore può essere ottenuta con la riduzione del carico
alla turbina o motore a gas e/o con l'installazione di
un post bruciatore quando la richiesta di vapore supera
il quantitativo prodotto con il solo calore di recupero.
Il postcombustore non è altro che un sistema per
iniettare solo combustibile all'interno dei fumi caldi
in uscita dalla turbina a gas per produrre ulteriore
calore.
Non è necessario aggiungere aria comburente in quanto i
fumi in uscita dalla turbina a gas hanno ancora un
contenuto di ossigeno pari a circa il 15 % e pertanto il
rendimento di combustione è pari praticamente al 100 %.
Per i cicli combinati con turbina a contropressione e
condensazione, la variazione di portata di vapore può
essere ottenuta sia come già detto al paragrafo
precedente sia variando il quantitativo di vapore
condensato.
Le variazioni repentine di portata possono essere
affrontate:
- Per il ciclo semplice o combinato con sola turbina a
contropressione dimensionando la portata di vapore
prodotto con calore di recupero sul minimo di richieste
e affidando al postcombustore il compito di seguire il
diagramma di carico.
- Per il ciclo combinato, con turbina a vapore a
contropressione e condensazione, dimensionando la
portata di vapore prodotto con calore di recupero sulla
massima richiesta di vapore e affidando alla
condensazione il compito di assorbire le variazioni di
portata.
Uno studio di fattibilità di un impianto di
cogenerazione consiste nella definizione in accordo con
i tecnici della società:
1. Dei carichi termici ed elettrici.
2. Del livello di temperatura richiesto dai carichi
termici.
3. Dall’andamento nel tempo sia dei carichi termici che
dell’energia elettrica.
4. Nella individuazione dell’assetto impiantistico più
idoneo. Turbogas o motore a combustione interna a gas;
Ciclo semplice o combinato; con o senza post combustore,
ecc.
5. Nella redazione di una specifica per " richiesta di
offerta ".
6. Nella definizione dei possibili fornitori.
7. Nella raccolta delle relative offerte.
8. Nell'allineamento delle offerte con la specifica per
R.D.O.
9. Nella tabulazione delle offerte sia da un punto di
vista tecnico che commerciale.
10. Nell'elaborazione dello studio finalizzato
all'individuazione:
- Dei costi totali dell'investimento.
- Dei tempi di realizzazione.
- Dei costi e ricavi di esercizio.
Schema di processo
quantificato di un impianto di cogenerazione motore a
gas
Schema di processo
quantificato di un impianto di cogenerazione turbogas |
