Progettazione e Realizzazione di: Case a basso consumo energetico, Impianti ad energia rinnovabile,
Isolamenti Termo-Acustici, Impianti Elettrici e Domotici
La trigenerazione implica la produzione contemporanea di
energia meccanica (elettricità), calore e freddo utilizzando
un solo combustibile.
Le tradizionali centrali termoelettriche convertono soltanto
1/3 dell’energia del combustibile in elettricità.
Ciò che resta si perde sotto forma di calore. L’effetto
negativo, derivante da questo spreco, sull’ambiente
è evidente. Ne consegue l’esigenza di incrementare
l’efficienza della produzione elettrica.
Un metodo che va in direzione è la produzione combinata
di calore ed elettricità (CHP) dove più di
4/5 dell’energia del combustibile è convertita
in energia utilizzabile, con benefici sia finanziari che
economici.
La Cogenerazione è la produzione consecutiva e la simultanea
utilizzazione di due forme di energia, elettrica (o meccanica)
e termica, mediante un sistema che impiega lo stesso combustibile.
E’ adottata nell’industria e negli edifici dove
c’è una richiesta contemporanea di elettricità
e di calore e, generalmente, quando l’ammontare annuo
del tempo di funzionamento supera le 4000 ore.
Nel settore terziario dei paesi a clima temperato, la richiesta
di calore è limitata a pochi mesi invernali, mentre
esiste un significativo fabbisogno di freddo (condizionamento
dell’aria) durante i mesi estivi. In questo caso, con
un impianto di cogenerazione, il calore è impiegato
per produrre freddo, attraverso cicli di assorbimento.
Questo
processo di cogenerazione “allargata” è conosciuta
come trigenerazione o produzione combinata
di calore, freddo ed elettricità (CHCP=Cogeneration
of Heat, Cooling and Power)*.
* Se CHP, produzione combinata di calore ed elettricità,
è un acronimo ben conosciuto di cogenerazione, CHCP
potrebbe essere un acronimo meno familiare di trigenerazione,
produzione combinata di calore, freddo ed elettricità.
Un moderno acronimo americano è BCHP, Building Cooling,
Heating and Power, per le applicazioni della trigenerazione
agli edifici. In Germania gli acronimi corrispondenti sono
rispettivamente KWK, Kraft-Wärme Kopplung or BHKW,
Brennstoff Heizkraftwerk, e KWKK, Kraft Wärme Kälte
Kopplung.
La trigenerazione, tecnologia che produce energia recuperando
e convertendo il calore di residuo in freddo, è costituita
da sistemi di CHP combinati con gruppo frigo ad assorbimento.
CHP
La parte fondamentale di un impianto di cogenerazione è la macchina che produce elettricità e calore. E’
questa macchina che caratterizza tutto il sistema.
Il gruppo frigo ad assorbimento, l’apparato che produce
freddo, utilizzando il calore del processo di cogenerazione, è la
seconda parte più importante di un impianto
di trigenerazione.
I gruppi ad assorbimento si basano sulla condensazione
e sull’evaporazione
per produrre freddo. Come i gruppi ad assorbimento a gas,
essi hanno un evaporatore ed una serpentina di raffreddamento
che espande il refrigerante per produrre freddo. Diversamente
da un compressore meccanico, questi gruppi impiegano una
fonte
di calore che è alimentata direttamente usando un
bruciatore od indirettamente utilizzando vapore, acqua calda
o calore
di residuo. In altre parole le macchine ad assorbimento sono
motorizzate dal vapore, dall’acqua calda o da gas
di combustione.
Principio base di una macchina frigo ad assorbimento
Nel suo semplice disegno la macchina ad assorbimento consta di un evaporatore, di un condensatore, di un assorbitore,
di un generatore e di una pompa di soluzione.
In un gruppo frigo a compressione, il freddo è prodotto nell’evaporatore dove il refrigerante, o vero il termovettore,
evapora ed il calore è rilasciato nel condensatore dove il refrigerante è condensato.
L’energia, che porta il calore da una bassa temperatura ad una più alta, è fornita come energia meccanica
al compressore.
Nel ciclo ad assorbimento, comprimendo il refrigerante, il vapore è
prodotto dall’azione combinata dell’assorbitore, della pompa di soluzione e del generatore, invece che dal
compressore meccanico. Il vapore generato nell’evaporatore è assorbito da una soluzione liquida nell’assorbitore.
Tale soluzione, avendo raccolto il refrigerante, indebolendosi la propria funzione, è pompata verso il generatore
dove il refrigerante è rilasciato sotto forma di vapore; in seguito questo ultimo verrà condensato nel condensatore.
Il rigenerato, o forte soluzione assorbente, è poi ricondotto all’assorbitore per prelevare di nuovo il
vapore refrigerante.
Il calore è fornito al generatore ad una temperatura relativamente alta ed è successivamente rilasciato
dall’assorbitore ad un livello più basso, analogamente a quanto avviene in un motore di calore.
Coppie di lavoro
Il Refrigerante e la soluzione assorbente in un ciclo di assorbimento formano ciò che si chiama una coppia di lavoro.
Molte coppie sono state proposte in corso degli anni, ma soltanto due di queste sono state ampiamente impiegate:
ammoniaca e acqua come assorbente e acqua insieme ad una soluzione di bromuro di litio e acqua come assorbente.
La coppia ammoniaca-acqua è maggiormente impiegata nelle applicazioni di refrigerazione con basse temperature
di evaporazione, sotto lo 0 ºC, mentre la coppia acqua- bromuro di litio è ampiamente
usata per applicazioni di condizionamento dell’aria, dove non sono necessarie temperature sotto lo 0 ºC.
I livelli di pressione nella macchina ammoniaca-acqua sono generalmente maggiori della pressione atmosferica, mentre le macchine
acqua-bromuro di litio funzionano di solito in un vuoto parziale.
I flussi di calore nel ciclo fondamentale sono i seguenti:
Ilcalore è fornito, ed il freddo è prodotto nell’evaporatore, a bassa temperatura;
Il calore è rilasciato nel condensatore a temperatura intermedia;
Il calore è rilasciato dall’assorbitore, anche ad un livello intermedio;
Il calore è fornito al generatore ad alta temperatura.
Per quanto riguarda i sistemi di raffreddamento ad assorbimento, che usano il bromuro di litio come assorbente e l’acqua
come refrigerante, la fonte di calore (l’energia calorifica emessa dal sistema di cogenerazione, di norma)
deve essere ad una temperatura minima di 60-80 ºC, o tanto alta, a 150 ºC, se si considera un sistema a doppio effetto.
I sistemi che usano ammoniaca come refrigerante, invece, necessitano di una fonte di calore pari a
100-120 ºC (sistema a mono-stadio).
Modifiche del Sistema
Il ciclo fondamentale potrebbe essere modificato in diversi
modi, uno dei quali consiste nell’utilizzare tutte le
opportunità possibili per il recupero del calore nel
ciclo. Ad esempio, è consueto scambiare il calore con
il vapore dell’assorbente ‘indebolito’ durante
la fase della rigenerazione dell’assorbente, lasciando
che l’assorbente rigenerato torni nell’assorbitore.
Quando tutte le opportunità di recupero del calore,
ragionevolmente sfruttabile, sono state introdotte nella
progettazione
di una macchina ad assorbimento, si ottiene un coefficiente
di prestazione (COP) di circa 0.7 per il sistema acqua-bromuro
di litio ed intorno a 0.6 per il sistema ammoniaca-acqua.
Ulteriori miglioramenti potrebbero essere ottenuti
qualora un sistema potesse recuperare più efficientemente
il calore ad alta temperatura, il quale è utilizzato
per alimentare il generatore. In effetti, i sistemi
denominati a doppio effetto incorporano due blocchi di generatore-assorbitore
che sono messi in differente fase affinché il calore
fornito venga recuperato due volte. Al primo generatore il
calore ha una temperatura di circa 170 ºC e viene rilasciato
dal corrispondente condensatore per motorizzare il secondo
generatore ad una temperatura più bassa, circa 100
ºC, come una macchina a mono-stadio.
Il COP di un sistema così strutturato, con la coppia
di lavoro ad acqua-bromuro di litio, potrebbe essere di circa
1.2, il che è significativamente più efficiente
dello 0.7 di un sistema a mono-stadio. Tale prestazione non
è doppia di quella del mono-stadio per l’imperfetto
scambio tra i flussi di soluzioni e, per il fatto che il
calore
impiegato per la vaporizzazione del refrigerante da una soluzione
debba essere maggiore rispetto a quando il refrigerante evapora
da un liquido puro.
Macchine a bromuro di Litio
Macchine LiBr
La maggior parte dell’apparecchiatura di assorbimento,
basata sulla coppia di lavoro acqua - bromuro di litio, è progettata
per applicazioni di raffreddamento dell’aria. Per
ragioni storiche le capacità sono date in US RT
(Refrigeration Tons), un US ton di ghiaccio per ora, nella
letteratura fornita dai produttori. Un RT corrisponde a
una potenza frigo di circa 3.5 kW.
Macchine a mono-stadio
La maggior parte dei produttori offre macchine mono-stadio,
nella gamma che va da circa 100 RT a 1500 RT, per esempio
da 350 kWth a circa 5.2 MWth. Queste possono essere “alimentate” con
vapore da 135 a 205 kPa g (1-2 bar standard, 2-3 bar),
che corrisponde ad una temperatura di vapore da 110 a circa
120 ºC. Alternativamente, queste macchine possono
essere “alimentate” con acqua calda da 115
a 150 ºC ed avere una pressione massima di 9 bar.
La COP oscilla tra 0.6 e 0.7.
Il consumo di vapore di una macchina ad effetto singolo
(cioè mono-stadio) ammonta approssimativamente a
2.3 kg/h per kWth. Il flusso di acqua calda richiesto si
colloca tra 30 e 72 kg/h per kWth in relazione all’abbassamento
di temperatura consentito.
Macchine a doppio effetto
Le macchine a doppio effetto si collocano circa nella stessa
gamma di capacità di quelle ad effetto singolo.
Però, le più basse potenze frigo che produttori
riescono ad offrire si aggirano intorno ai
200 RT per alcuni e 350 RT per altri (rispettivamente
700 e 1200 kWth). Sembra che il vapore sia il termovettore
preferito per ‘alimentare’ una macchina di
questo tipo. Il vapore dovrebbe essere da 9 a 10 bar, 10-11
bar, o da 1100 a 1200 kPa, che corrisponde a temperature
nel range di 175 - 185 ºC.
Secondo le informazioni rilevate, è anche possibile “alimentare” una
macchina a doppio effetto con acqua calda, la cui temperatura
dovrebbe essere compresa tra 155 e 205 ºC. Il coefficiente
di prestazione, in entrambi i casi, è tra 0.9 e
1.2.
Il consumo di vapore di una macchina a doppio effetto è di
circa 1.4 kg/h per kWth.
Prestazione
L’efficienza termica è misurata in termini
di freddo prodotto diviso il calore introdotto – coefficiente
di prestazione (COP). I gruppi frigo a mono-stadio hanno
COP termici tipici intorno a 0.7; mentre quelli a doppio
effetto hanno COP termici di circa 1.1. Ciò significa
che la torre di raffreddamento richiesta per un gruppo
frigo a doppio effetto è più piccola di quella
richiesta per uno ad effetto singolo (circa 40%).
La complessità dei gruppi frigo a doppio effetto
aumenta il loro costo rispetto a quelli ad effetto singolo.
La capacità dei gruppi frigo ad assorbimento a doppio
effetto varia da circa 400 a 1,000 tonnellate. Tutte le
macchine ad assorbimento, disponibili sul mercato, immettono
il calore nel circuito della torre di raffreddamento. Nella
maggior parte dei casi la temperatura nel suddetto circuito è di
32/37ºC; mentre le unità di acqua calda a bassa
temperatura della Sanyo e della Yazaki richiedono temperature
più basse: 30/35°C.
Macchine ad ammoniaca-acqua
Macchine ad ammoniaca-acqua
Le macchine ad ammoniaca-acqua sono progettate principalmente
per applicazioni di refrigerazione industriale, per
esempio cibo congelato o processi di refrigerazione,
con temperatura
dell’evaporatore a –
60ºC. E’ preferibile utilizzare questo tipo
di macchine quando si lavora con temperature vicino o
sotto lo 0 ºC, poiché le macchine di acqua
-bromuro di litio non possono funzionare a queste temperature.
La temperatura, alla quale il vapore deve essere fornito
per “alimentare” un gruppo frigo, dipende
dalla temperatura del refrigerante disponibile e dalla
temperatura di refrigerazione da raggiungere.
Prestazione
Il diagramma fornisce un’indicazione dell’efficienza
di un processo di assorbimento del NH3 in mono-stadio,
mediante il coefficiente di prestazione (COP). L’andamento
di tale indice dipende dall’evaporazione e dalla
temperatura dell’acqua di raffreddamento. Le linee
colorate si riferiscono al range della temperatura dell’acqua
di raffreddamento.
I costi delle macchine ad ammoniaca vanno da
1250 € a
1750 € per tonnellata di capacità.
Se si estrapolassero le relazioni nel diagramma,
si potrebbe aspettare applicazioni attuali con
un COP
superiore a
0.6.
Per quanto riguarda un ciclo ad ammoniaca-acqua, è ragionevole
pensare che la prestazione, la richiesta di calore
e di temperature sarebbero fondamentalmente le
stesse di
quelle
necessarie per il ciclo acqua-bromuro di litio.
Le tabelle sottostanti riassumono il range dei parametri principali relativi ai sistemi di CHP ed ai gruppi frigo ad assorbimento.
Sistemi di CHP
Gruppi frigo ad assorbimento
* I gruppi frigo a triplice effetto non sono stati considerati,
poiché sono ancora macchine allo stato sperimentale. Questi, comunque,
hanno COPs di circa 1.6 ed operano ad una temperatura tra i 170 ed i 200° C.
I costi di manutenzione delle macchine ad assorbimento variano molto secondo il tipo di contratto. Nella maggior parte dei
casi viene impiegata l’outsourcing ed il contratto esistente include
la manutenzione dell’intero sistema di condizionamento
ad aria. Spesso, anche il funzionamento dell’impianto
è gestito dall’ outsourcing, ovvero la stessa ditta
garantisce, mediante un solo contratto, sia la gestione dell’impianto
che la manutenzione dell’intero sistema. In alcuni casi
la ditta utilizzatrice del gruppo frigo fornisce il proprio
personale per funzionamento dell’impianto, ed adotta
servizi esterni per il periodo di controllo (secondo il
programma di
manutenzione stabilito).
Riduzione del combustibile: la riuscita installazione della
CHP e della CHCP porta ad una riduzione di combustibile
di circa il 25%, rispetto quanto impiegato nella tradizionale
produzione di energia.
Riduzione delle emissioni:
la riduzione dell’inquinamento atmosferico registra
la stessa proporzione della riduzione del combustibile.
Con l’uso del gas naturale, al posto del petrolio
e del carbone, le emissioni di SO2 ed i fumi si riducono
a zero.
Benefici
Economici: i costi energetici degli impianti di
trigenerazione sono più bassi di quelli degli impianti
"tradizionali". Per una installazione di successo,
la riduzione di prezzo oscilla tra 20-30%.
Aumento dell’affidabilità della fornitura di energia:
l’allacciamento dei piccoli impianti di CHP alla rete
può garantire un funzionamento ininterrotto dell’unità,
in caso di interruzione del funzionamento dell’impianto
o della fornitura energetica dalla rete. A livello di paese,
essi favoriscono la generazione dell’energia decentralizzata,
riducendo il bisogno di grandi centrali elettriche. Inoltre
incrementano l’occupazione a livello locale.
Aumento della stabilità delle reti elettriche: gli
impianti di trigenerazione offrono un significativo supporto
alle reti elettriche durante i caldi mesi estivi. La richiesta
del freddo è soddisfatta mediante il processo dell’assorbimento
anziché da ciclo di compressione sostenuto dell’energia
elettrica. L’applicazione della trigenerazione inoltre
aumenta la stabilità delle reti e migliora l’efficienza
del sistema, in quanto i picchi estivi sono coperti da società
elettriche attraverso impianti di riserva inefficienti con
sovraccarico delle linee di trasmissione dell’elettricità.
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