Caso di studio cogenerazione 1

OPET SEED (Italia)

Impianto di cogenerazione realizzato presso una azienda del settore ceramico della provincia di Modena (Emilia-Romagna, Italia)

Introduzione

Limpianto di cogenerazione in esame installato presso un azienda appartenente al settore ceramico ed stato realizzato da Benelli Ravenna per lauto-produzione di energia elettrica con recupero di calore. Limpianto pu funzionare sia in parallelo alla rete ENEL che in rete isolata.

Il gruppo di cogenerazione composto con un motore endotermico a 4 tempi turbocompresso, alimentato a gas metano di realizzazione CATERPILLAR modello 3512 SI-TA, accoppiato ad un alternatore sincrono trifase della potenza elettrica di 770 kWe.

Descrizione dellimpianto

Limpianto costituito da un sistema di produzione di energia elettrica e recupero di calore. I principali componenti dellimpianto sono:

Gruppo di generazione, con motore endotermico alimentato a gas metano per la produzione di energia elettrica in parallelo rete o in isola;

Sistema di recupero del calore dai gas di scarico e dallacqua di raffreddamento camice ed olio del motore endotermico;

Sistema elettro-strumentale di controllo e comando, nonch di misura dellenergia elettrica prodotta.

In dettaglio, limpianto esaminato costituito da i seguenti gruppi:

i) 1 gruppo di cogenerazione con motore ciclo Otto a 4 tempi turbocompresso, alimentato a gas metano, di costruzione CATERPILLAR, modello 3512 SI-TA, accoppiato ad un alternatore sincrono trifase della potenza elettrica di 770 kW, con rendimento elettrico pari al 37,2 % (5%). Il gruppo completo dei circuiti di raffreddamento ad acqua per motore ed aftercooler.

ii) sistema di recupero termico con utilizzo di aria calda ottenuta dal radiatore di raffreddamento motore e dallo scambiatore dei gas di scarico della combustione.

Limpianto completato da dispositivi e gruppi specifici quali impianti per ventilazione, filtrazione, insonorizzazione e sicurezza, oltre al sistema elettro-strumentale comprendente trasformatore, quadri di interfaccia e comando/controllo. Tali dispositivi, incluse le protezioni automatiche, permettono al gruppo di cogenerazione di integrarsi elettricamente allinterno dello stabilimento, nonch di garantirne il corretto funzionamento, in parallelo rete o in rete isolata.

ENERGIEENERGIE

Caso di studio cogenerazione 2

Scheda riepilogativa del gruppo motore (con prestazioni al 100% del carico elettrico massimo) Costruttore CATERPILLAR Modello 3512 SI-TA Tipo di motore 4 tempi turbocompresso

con aftercooler Combustibile utilizzato Gas metano

PCI 8250 kcal/Sm3 Potenza termica immessa con il combustibile (gas naturale con Potere Calorifico Inferiore 8250 kcal/Sm3)

[kW] 2069

Potenza meccanica massima continua (PMC) [kWt] 803 Potenza elettrica massima continua ai morsetti dell'alternatore [kWe] 770 a cosj=0,8 Potenza elettrica al netto del consumo degli ausiliari [kWe] 700 Rendimento meccanico % 38,81 % Rendimento elettrico % 37,2 % (+5%) Potenza termica utilizzabile, di cui: olio lubrificante e acqua raffreddamento motore gas di scarico (rispetto a 15C)

[kW] [kW]

885 359 526

Numero di cilindri 12 a V Consumo specifico di energia (PMC) [g/KWh] 9280 +5% Consumo specifico di olio lubrificante (PMC) [g/KWh] 0,8

La potenza erogata dal gruppo durante lesercizio, viene modulata variando con continu100% al 50% mediante un sistema di controllo.

Limpianto funziona sia in parallelo alla rete che in rete isolata, in accordo alle prescrizioni ENEL. In regime di parallelo con la rete ENEL il sistema di controllo consente la produzione della massima potenza erogabile dal gruppo, e garantisce, in caso di picchi di assorbimento, il prelievo della potenza mancante dalla rete. Qualora invece la potenza consumata dalle utenze sia inferiore a quella fornita dal gruppo, si avr un flusso di energia verso la rete ENEL. Entrambi i flussi di energia sono contabilizzati da appositi contatori. In condizione di regime il funzionamento dellimpianto di parallelo con la rete ENEL.

Durante il funzionamento in rete isolata, il gruppo eroga la potenza richiesta dalle utenze privilegiate; per ovviare al problema di assorbimenti di picco superiori ai limiti del gruppo elettrogeno, viene attivato un sistema di alleggerimento carichi che provvede al distacco di una o pi utenze particolarmente gravose al momento del passaggio da funzionamento in parallelo rete a quello in isola.

Utilizzo dellenergia elettrica e termica cogenerata ed utenze servite

Energia elettrica

Lenergia elettrica prodotta dalla cogenerazione (pari a 700 kWe al netto degli ausiliari) viene interamente assorbita allinterno dello stabilimento ceramico.

Energia termica

Lenergia termica recuperata utilizzata a servizio dei processi produttivi e dei reparti di seguito indicati:

- mulini di macinazione a secco;

- deposito materiale lapillo;

- forno cottura piastrelle;

- riscaldamento edifici/ambienti di lavoro nella zona di scelta.

Caso di studio cogenerazione 3

Lenergia termica disponibile costituita da:

1- Aria calda prodotta dal raffreddamento radiatore dellacqua motore: viene inviata al reparto mulini di macinazione per migliorare la produttivit e ridurre lumidit delle terre.

2- Aria a 200 240 C, prodotta dal recupero termico sui gas di scarico: viene utilizzata nel forno come aria comburente, nel riscaldamento edifici e/o come reintegro in portata e temperatura per il flusso daria inviato al mulino.

I valori di portata e di temperatura dei due vettori termici variano a seconda delle esigenze di produzione del mulino e del forno dipendendo anche dalle caratteristiche ambientali delle terre da macinare (temperatura ed umidit).

Aria calda Aria 200240 C

Potenza termica recuperata [kWt] 476 400 Portata massima [m3/h] 46000/54000 6000/8000 Temperatura massima [C] 60/90 220/240 Fattore di utilizzo [%] 80% 80%

La convenienza economica dellimpianto

I consumi elettrici dellazienda prima della realizzazione dellimpianto di cogenerazione suddivisi per fasce orarie sono riassunti nei diagrammi seguenti (anno di riferimento: 1997/98); i consumi mensili sono costanti nel corso dellanno ad eccezione dei mesi nei quali sono previsti giorni di chiusura dello stabilimento per ferie.

CONSUMI PER FASCE ELETTRICHE

0

500.000

1.000.000

1.500.000

2.000.000

2.500.000

3.000.000

3.500.000

F 1 F 2 F 3 F 4

FASCE ELETTRICHE

KW

H/A

NN

O

ANDAMENTO CONSUMI ELETTRICI MENSILI

0

100.000

200.000

300.000

400.000

500.000

600.000

G F M A M G L A S O N D

MESE

KW

H/M

ES

E

Caso di studio cogenerazione 4

Nella tabella seguente sono riepilogati i consumi energetici annuali precedenti la realizzazione dellimpianto di cogenerazione e i relativi costi.

Consumi

annuali Costo unitario Costo complessivo

annuale Consumi elettrici 5.054.587 kWh 146 /kWh 740.000.000 Consumi termici 3.387.561 Smc 313 /Smc 1.060.500.000 Totale costi energetici 1.800.500.000

La convenienza economica dellimpianto di cogenerazione stata valutata prevedendo 3 condizioni di esercizio. Lopzione pi adatta alla tipologia di consumi dellazienda prevede che limpianto sia in funzione per 24 ore al giorno dal luned al venerd, per un totale di 5.565 ore/anno escludendo i giorni di chiusura per ferie. Con tale condizione di esercizio il risparmio annuo pari a circa 320 milioni di lire. Limpianto ha un costo pari a circa 1.150.000.000, il tempo di rientro dellinvestimento inferiore a 4 anni.

A seguito della realizzazione dellimpianto di cogenerazione la quantit di energia elettrica acquistata sul mercato si riduce sensibilmente. In dettaglio, si hanno i seguenti costi, comprensivi del costo dellenergia consumata e della potenza elettrica impegnata.

Acquisti annuali

energia Costo complessivo

annuale Consumi elettrici [kWh] 780.000 195.000.000 Consumi termici [Smc] 4.122.000 1.212.000.000 Manutenzione impianto di cogenerazione 71.000.000 Totale costi energetici 1.478.000.000

Il bilancio di energia elettrica (espressa in kWh) per le varie fasce orarie a seguito della realizzazione dellimpianto di cogenerazione schematizzato nella tabella seguente.

Consumi energia

elettrica azienda Energia prodotta dallimpianto di cogenerazione

Energia ceduta a ENEL

Energia acquistata da

ENEL F1 255.744 367.500 111.756 0 F2 1.040.940 1.292.813 251.873 0 F3 848.575 927.188 78.613 0 F4 2.909.328 1.586.250 0 1.323.078 kWh 5.054.587 4.173.750 442.241 1.323.078

Relativamente allenergia termica, viene mantenuto il contratto esistente precedentemente alla realizzazione dellimpianto di cogenerazione che prevede la fornitura di gas metano di tipo industriale con fornitura continua ad alta utilizzazione.

Periodo Consumi metano precedenti

cogenerazione Smc

Consumi metano con impianto di cogenerazione

Smc

Differenza

Smc

Invernale 1.574.000 1.962.000 Estivo 1.813.000 2.160.000 Totale 3.387.000 4.122.000 225.000

Caso di studio cogenerazione 5

Emissioni e impatto ambientale

Le emissioni di inquinanti significative ai sensi del D.P.R. 203/88 e del D.M. 12/07/90, sono costituite dalle seguenti sostanze contenute nei gas di scarico:

Ossidi di azoto NOx Monossido di carbonio CO

Nella tabella seguente sono indicati i dati relativi alle emissioni atmosferiche con il sistema di abbattimento catalitico installato.

Portata gas di scarico kg/h 4457

m3/h effettivi 9738

Nm3/h 3445

Temperatura gas di scarico C 496

Densit gas di scarico kg/m3 0,458

Emissioni gas di scarico con 5%vol. di O2 nei gas:

monossido di carbonio CO mg/Nm3 300

kg/h 1,03

ossidi di azoto NOx mg/Nm3 500

kg/h 1,72

La combustione di gas metano produce fumi esenti da particolato. Limpianto di cogenerazione in oggetto alimentato a gas naturale con potenza termica immessa inferiore a 3 MW; pertanto considerato ad inquinamento atmosferico poco significativo ai sensi del DPR 25 luglio 1991.

Il livello di emissione degli NOx mantenuto conforme alle normative vigenti (