STUDIO DI FATTIBILITA’ IMPIANTO DI COGENERAZIONE

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 Studio di fattibilità Impianto di Cogenerazione

Obiettivo del presente studio è valutare la fattibilità tecnica ed economica di un impianto di cogenerazione alimentato da gas naturale a servizio di una struttura alberghiera situata nel nord Italia al fine di ridurre la richiesta energetica e quindi concorrere alla riduzione dei costi di gestione futuri.

A partire dalla descrizione dell’utenza e della richiesta energetica si analizzano di seguito le scelte progettuali effettuale in tema di produzione e distribuzione dell’energia, nonché le valutazioni di tipo economico e finanziario relative all’integrazione con un sistema di cogenerazione.

Lo studio è limitato esclusivamente a valutazioni energetiche e non tratterrà eventuali configurazioni impiantistiche che saranno riservate ad una fase successiva di eventuale progettazione definitiva dello stesso impianto di cogenerazione.

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Cogenerazione Scenario Energetico di Riferimento

Nell’ultimo trentennio si è assistito ad un cambio del modello di vita nel mondo che ha portato alla formazione di grandi insediamenti urbani; questi richiedono molta energia sia per la sviluppo produttivo del settore industriale che del terziario, e notevole è anche la richiesta di energia per la climatizzazione e per l’illuminazione degli edifici.

In questi anni la tendenza generale è stata ed è ancora quella dell’uso intensivo dell’energia elettrica, ciò ha portato a richieste di potenza ed a consumi elettrici che sono divenuti sempre più insostenibili, specie nei mesi estivi, quando è necessario il ricorso all’impegno di grosse potenze per coprire le punte relative alla climatizzazione.

I fornitori dell’energia elettrica quindi sono stai chiamati a far fronte a tale tipo di fabbisogni.

L’Italia affida il soddisfacimento della maggior parte dei consumi di energia primaria ai combustibili fossili. Per quanto riguarda l’energia elettrica, circa il 43% di tutta l’elettricità generata proviene da gas naturale, il 22% dal petrolio (olio combustibile) e il 14% da carbone, mentre l’unica altra fonte energetica rilevante è l’idraulica (15%).Al momento, i contributi di tutte le fonti rinnovabili diverse da idroelettrico e geotermico sono solamente marginali (<2,5%)[3].

Per svariate ragioni (incluso il ruolo limitato del carbone, l’assenza di impianti nucleari e l’uso prevalente di petrolio e gas naturali in impianti termoelettrica vapore di efficienza relativamente bassa), il mercato dell’energia elettrica italiano presenta prezzi dell’energia sensibilmente più alti alla media Europea. Questa situazione giustifica il crescente interesso il crescente interesse verso iniziative volte a promuovere l’uso di energie rinnovabili e di tecnologie di risparmio energetico, inclusa la cogenerazione e la generazione distribuita [3].

Descrizione della Struttura e degli Impianti di Produzione (ante – Cogenerazione)

L’albergo oggetto del presente studio è situato nella città di Milano ed è classificato di categoria “quattro stelle”, contadi cento camere ospiti, una cucina con annessa sala ristorante, una zona uffici-amministrazione, e una ampia area ricezione ospiti.

La tipologia di clientela è di tipo “business” e registra una affluenzac ostante durante il periodo dell’anno ad eccezione del periodo estivo in cui si assiste ad una sensibile riduzione della occupazione. In base a dati di presenza comunicati dalle direzione alberghiera, lo studio è stato effettuato considerando una occupazione media complessiva della struttura pari al 50% della capienza totale e un profilo di occupazione giornaliero tale da preveder una presenza massima durante le ore serali, notturne e del primo mattino; durante l’arco del giorno la presenza interna si riduce notevolmente.

L’intero stabile è dotato di impianto di climatizzazione di tipo idronico a fluido intermedio. Sono inoltre presenti due centrali di trattamento aria (C.T.A.) a tutt’aria esterna per il rinnovo igienico dell’aria degli ambienti di cui una servizio delle camere ospiti e reception (Q: 10.000 mi/h) e un’altra a servizio della sala ristorante (Q: 3500 mc/h).

Il fabbisogno di energia termica per il riscaldamento, trattamento dell’aria e produzione di acqua calda sanitaria è soddisfatto da due caldaie in cascata tradizionali del tipo a basamento alimentate a gas naturale e poste in locale centrale termica e aventi singolarmente potenza di650 kWt,.

La centrale termica è operativa per tutto il ciclo annuale di funzionamento con riduzione del carico in funzionamento estivo in seguito all’assenza di produzione di energia termica per il riscaldamento degli ambienti interni. L’energia frigorifera è esclusivamente richiesta nel periodo estivo per la climatizzazione e trattamento dell’aria ed è prodotta da un gruppo frigorifero del tipo aria/acqua avente potenza frigorifera nominale di 289 kWf (Potenza elettrica nominale: 97 kWe).

Tutti i fluidi termovettori sono movimentati da elettropompe a portata costante poste in sotto-stazione di pompaggio dove sono anche collocati gli accumuli termici di acqua calda sanitaria.

L’impianto elettrico è composto da cabina di trasformazione MT/BT di utente.

La sezione BT del trasformatore è collegata al quadro generale che alimenta l’intero stabile.

Non sono presenti gruppi elettrogeni per l’assicurazione dell’alimentazione di emergenza

Analisi della Richiesta Energetica. Primo passo per il dimensionamento di un impianto di cogenerazione.

La struttura alberghiera richiede energia termica ed elettrica indispensabile per lo svolgimento dell’attività ricettiva; i prelievi di energia sono contraddistinti da una connotazione stagionale dipendente dalla richiesta energetica per la climatizzazione degli ambienti interni e il trattamento dell’aria di rinnovo. Le valutazioni progettuali nella scelta e definizione dei sistemi di produzione derivano dalla definizione dei fabbisogni energetici annuali stimati.

Se la corretta determinazione dei livelli di potenza richiesta dalle varie utenze è fondamentale per il dimensionamento degli impianti di produzione e distribuzione dell’energia, la definizione dei flussi energetici e quindi del grado di utilizzo delle diverse apparecchiature è essenziale per valutare l’efficacia dal punto di vista tecnico, economico e gestionale delle soluzioni possibili prospettate .

La richieste energetiche sono state dedotte secondo i diversi criteri:

  • Analisi e valutazione dei consumi per l’anno 2012, tramite raccolta di dati di fatturazione, dati di targa, misure dirette, dati e periodi di occupazione.
  • Valutazione, mediante impiego di modello di calcolo stazionario, dei distinti contributi di richiesta di energia termica ed elettrica riconducibile alla climatizzazione degli ambienti, trattamento aria e produzione di acqua calda sanitaria (A.C.S.)

Dimensionamento dell’impianto di cogenerazione e Curve di Carico

Nella Figura 1 è riportato l’andamento della richiesta di energia termica ET, elettrica EE e il valore del loro rapporto ET/EE. Si nota come il rapporto predetto sia non costante durante il periodo dell’anno con valori minimi nel periodo estivo in seguito all’annullamento della richiesta di energia per il riscaldamento. Tale fattore condiziona sensibilmente il dimensionamento dell’impianto di cogenerazione e di tutti gli apparati impiantistici.

Figura 1 – Profili richieste annuali energia termica ET, elettrica EE e fattore di rapporto ET/EE

Tuttavia tendenzialmente il rapporto esistente tra la richiesta di energia termica ed elettrica rende interessante l’ipotesi di soluzioni dell’impianto di cogenerazione, che mirino a soddisfare il fabbisogno di energia termica riducendo l’uso della caldaia tradizionale.

Il problema principale è rappresentato dalla stagionalità, che riduce considerevolmente il fabbisogno di energia termica nei mesi estivi.

Il principio su cui si è basata la scelta della taglia dell’impianto di cogenerazione è quella del principio di massimizzare l’autoconsumo dell’energia termica ed elettrica prodotta dall’impianto di cogenerazione in sito, valutando le richieste energetiche in relazione ai periodi di operatività.

Per tali ragioni si è scelto di non utilizzare come metodo di dimensionamento né il dimensionamento basato sulla regolazione del carico elettrico né il dimensionamento basato sulla regolazione del carico termico.

Pertanto si è deciso di definire una taglia di un impianto di cogenerazione tale da ipotizzare una condizione di funzionamento tale da ridurre la dissipazione di calore solo a ristrette a momentanee condizioni di operatività dell’impianto di cogenerazione.

Le motivazioni sono le seguenti:

  • Per ridurre il pay-back a valori di tempo accettabili in virtù di un investimento l’impianto di cogenerazione deve lavorare per il massimo di ore a valori elevati di rendimento elettrico.
  • Ridurre il rendimento elettrico si traduce in un aumento dei tempi di ritorno sia perché l’impianto di cogenerazione operi in condizioni di minore efficienza sia perché nella maggior parte delle ipotesi si sarebbe scelto una taglia del cogenerazione sovradimensionata.

Non tutta l’energia prodotta dall’unità di cogenerazione potrebbe considerarsi prodotta in cogenerazione ad alto rendimento (CAR).

La scelta della taglia dell’impianto di cogenerazione è ricaduto su un impianto di cogenerazione di primaria marca, di cui si riporta a seguire descrizione tecnica di capitolato:

Macchina cogenerazione a gas naturale o a GPL di marca ENERGIFERA mod. TEMA60, in grado di effettuare l’inseguimento puntuale ed istantaneo del carico elettrico dal 20% al 100% della sua potenza nominale, mantenendo un rendimento elettrico medio superiore al 25% e massimo non inferiore al 30%, anche in caso di funzionamento in isola. Possibilità di passaggio automatico dal funzionamento “grid-connected” (in parallelo alla rete di distribuzione nazionale) a quello “stand- alone” (in isola) rispettando la norma IEC EN 62040-3 in caso di blackout anche con motore endotermico spento.

Velocità di rotazione del motore (variabile nel range tra 1000 e 2500 rpm) indipendente dalla frequenza di rete, al fine di inseguire il punto di massima efficienza del sistema di generazione dell’energia.

Possibilità di gestire, come master di una piccola rete isolata, un numero qualsiasi di fonti energetiche intermittenti (fotovoltaico, eolico, mini –idroelettrico) di potenza nominale pari alla potenza nominale della macchina.

CARATTERISTICHE ELETTRICHE

Potenza Elettrica Nominale: 52kWe
PotenzaElettrica Continuativa: 50kWe
Potenza Elettrica di Picco: da80a 130kWe(in funzione del modello)
Rendimento Elettrico Nominale: 29%
Durata Massima Picco Elettrico da10’a 12’
Quadro Accumulatori: tipo Piombo/Gel sigillati
Tensione inuscita: 400V -Trifase+N

CARATTERISTICHE TERMICHE

Potenza termica nominale: 99 kWt;
Rendimento termico nominale: 60%;
Temperatura mandata nominale: 75 °C
Temperatura mandata massima: 95°C
Temperatura di ritorno nominale: 62 °C
Temperatura massima uscitafumi: 650 °C
Portata massima fumi 230 kg/h
Unità di dissipazione calore dei flui di motore: Inclusa

CARATTERISTICHE MOTORE ENDOTERMICO

Alimentazione: Gas Naturale o GPL
Regime velocità di funzionamento: Variabile finoa 2500 rpm
Consumo nominale (p.c.i.8250kcal/Stmc): 17,6 Stmc/h(metano)–6,3Stmc/h (GPL)

Impianto di cogenerazione ed Ipotesi di progetto

In prima analisi lo studio è stato condotto prendendo in riferimento un impianto di cogenerazione alimentato a gas naturale dotato di motore primo a combustione interna.

Nei periodi in cui la richiesta del carico termico è soddisfatta e quindi il calore recuperato dall’impianto di cogenerazione risulterebbe in eccesso, si è stabilito di procedere con lo spegnimento dell’impianto di cogenerazione escludendo qualsiasi parzializzatone del carico o dissipazione del calore.

A tal merito relazionando i dati di rendimento dell’ con quelli delle tariffe di acquisto dell’energia è stato ricavato il grafico di Figura 2 in cui è possibile apprendere come il valore di risparmio conseguibile con un impianto di cogenerazione rispetto alla produzione energetica separata.

Si apprende come il risparmio relativo è maggiore nei periodi di funzionamento in tariffa maggiore (F1) e che il medesimo risparmio si riduce considerevolmente all’aumentare dell’energia dissipata.

Figura 2 – Fattore di risparmio produzione combinata – produzione separata riferito alla percentuale di dissipazione energia termica prodotta dal cogeneratore

Analisi delle curve di richiesta energetica (ante – impianto di cogenerazione)

Per verificare l’idoneità dell’impianto di cogenerazione proposto alle reali richieste energetiche della struttura ricettiva in oggetto si è preceduto innanzitutto all’analisi della compatibilità in termini di produzione energetica durante l’intero periodo dell’anno di riferimento.

I grafici delle Figura 3/ae 3/b, riportano rispettivamente, per l’anno di riferimento la richiesta di energia termica, elettrica e quella prodotta dall’impianto di cogenerazione.

L’energia prodotta dall’impianto di cogenerazione non ha un andamento costante durante l’anno in quanto il numero di ore di funzionamento dall’impianto ci cogenerazione sono state stabilite in relazione alla richiesta energetica dalla struttura in modo da escludere una produzione maggiore rispetto a quella richiesta dal fabbisogno termico, come si può osservare dalle Figure 3/a e 3/b.

Figure 3/a e 3/b- Richieste annuali di Energia termica, ed elettrica ed energia prodotta dall’impianto di cogenerazione

Flussi Energetici prodotti dall’impianto di cogenerazione

Energia Termica:L’energia termica prodotta dal cogeneratore sarà caratterizzata da unico livello termico, 80°C, e sarà impiegata differentemente nelle diverse stagioni a seconda della richiesta energetica;

Nel periodo invernale l’energia termica contribuirà alla produzione di acqua calda sanitaria, riscaldamento e trattamento dell’aria esterna di rinnovo.

Nel periodo estivo l’energia termica contribuirà alla produzione di acqua calda sanitaria e il trattamento dell’aria esterna di rinnovo limitamene al solo post-riscaldamento.

Energia Elettrica:L’energia elettrica prodotta dall’impianto di cogenerazione sarà totalmente auto-consumata e impiegata per l’alimentazione di tutti i dispositivi e apparecchi della struttura in oggetto.

Nella Figura 4 è riportato l’andamento mensile del Fabbisogno di Energia Elettrica nello stato di fatto e di progetto e quella cogenerata, mentre nella Figura 5 è riportato l’andamento mensile del Fabbisogno gas naturale nello stato di fatto e di progetto.

Figura 4 – Fabbisogno di energia elettrica: stato di fatto, progetto integrazione, cogenerata

Fabbisogno di gas naturale: stato di fatto e progetto cogenerazione.

Figura 5 – Fabbisogno di gas naturale: stato di fatto e progetto cogenerazione.

Risparmi Energetici conseguibili successivamente all’installazione dell’impianto di cogenerazione

In tabella 1 si riportano i flussi energetici e i risparmi conseguibili per l’anno di riferimento. Nel grafico di Figura 6 viene rappresentato il flusso di cassa cumulativo secondo il quale risulta che il ricavo conseguibile dai risparmi cumulati al ventesimo anno di funzionamento dell’impianto è di € 756, 997,84.

Tabella 1 – Flussi di cassa impianto di cogenerazione

Come è possibile notare dai risultati ottenuti, il risparmio annuo conseguibile risulta di: € 44,273.79, pari al 27% del costo attuale di approvvigionamento energetico.

La valutazione economica ha tenuto conto dei titoli di efficienza energetica riconosciuti fino al decimo dall’entrata in funzione dell’impianto di cogenerazione.

Dallo stesso grafico si denota come al quarto anno di funzionamento si raggiunge compensazione mediante i risparmi conseguiti dal costo di investimento.

Figura 6 – Flusso di cassa cumulativo in seguito a impianto di cogenerazione

CONCLUSIONI E RISULTATI CONSEGUIBILI IN SEGUITO ALLA INSTALLAZIONE DELL’IMPIANTO DI COGENERAZIONE

Lo studio condotto permette di dimostrare come la realizzazione di un sistema di cogenerazione di energia termica ed elettrica consenta di ottenere notevoli risparmi energetici ed economici di gestione.

La corretta scelta della taglia dell’impianto di cogenerazione è di fondamentale importanza per l’ottimizzazione del risparmio energetico conseguibile e per la riduzione dei tempi di ritorno dell’investimento.

A tal proposito si dimostra come la massimizzazione delle ore di funzionamento in cui si ha autoconsumo di energia termica ed elettrica cogenerata aumenti la convenienza dell’investimento.

Tale aspetto riveste un ruolo peculiare nelle strutture alberghiere inseguito alla forte periodicità stagionale della richiesta di energia elettrica e termica.

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Ing. Gaetano Trovato

Ing. Gaetano Trovato

Progettista e Consulente per importanti società ed enti nel settore HVAC e dell’energia, sia in ambito civile terziario che industriale ed è titolare e fondatore di STT ENGINEERING. E’ autore di numerosi articoli scientifici su riviste internazionali e nazionali nel settore HVAC, della cogenerazione e dell’efficienza energetica. Si occupa di simulazioni CFD principalmente nel settore impiantistivo e dello scambio termico e del controllo della contaminazione ambientale (cleanroom). EGE (esperto gestione energia) certificato  UNI CEI 11339 settore civile ed industriale. Perito e Consulente Tecnico di Ufficio Tribunale di Milano (isc. Settore Termotecnica ed Energia). Membro AICARR (Associazione Italiana Condizionamento dell’aria, ASCCA (Associazione Contaminazione e Controllo dell’aria), ASHRAE member (American Society of Heating, Refrigerating and Air-Conditioning Engineers) . Partecipa regolarmente come relatore a conferenze e convegni nel settore HVAC e dell’energia. E’ docente in corsi di progettazione termotecnica, sicurezza impianti, efficienza energetica e prevenzione legionella.
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