Microturbine - Simucenter Marche

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LE MICROTURBINE
Le microturbine stanno raggiungendo una notevole
diffusione nell’energia distribuita e nelle applicazioni di
cogenerazione.
La taglia va da unità che possono essere tenute in una
mano e producono meno di un kilowatt a sistemi di
taglia commerciale che producono decine o centinaia di
kilowatt.
Le microturbine possono utilizzare la maggior parte dei
combustibili commerciali, come il gas naturale, il
propano, il gasolio ed il kerosene. Inoltre possono essere alimentate con biogas, come
quello prodotto da terra di riporto o da impianti di trattamento acque di scarico. Il
calore dei gas di scarico può essere usato per il riscaldamento dell’acqua, per processi
di essiccamento o per refrigeranti ad assorbimento, che creano aria fredda per il
condizionamento ambientale utilizzando calore anziché energia elettrica.
Parte del loro successo è dovuto al progresso in campo elettronico, che consente
esercizio e connessione alla rete elettrica anche in assenza di un operatore. La
tecnologia dell’elettronica di potenza elimina la necessità di sincronizzare il
generatore alla rete. Questo permette, per esempio, di progettare un generatore sullo
stesso albero della turbina e di utilizzarlo anche come motore di lancio, invertendone
la commutazione tramite dispositivi elettronici (inverter).
I sistemi con micro turbine hanno molti vantaggi rispetto ai generatori azionati da
motori alternativi, come l’alta densità di potenza (rispetto all’ingombro ed al peso),
bassissime emissioni e poche, o una sola, parti in movimento. Le micro turbine
progettate con cuscini ad aghi e raffreddamento ad aria operano senza olio,
refrigeranti ed altri fluidi pericolosi. Per contro, i motori alternativi rispondono più
velocemente alle variazioni di carico.
Di derivazione aerospaziale, la microturbina è stata studiata per produrre energia
pulita impiegando combustibili sia liquidi che gassosi.
Con la sua semplicità di progetto, offre una grande affidabilità e richiede una
minima manutenzione, ha una vita utile più elevata, permettono il funzionamento
con una vasta gamma di combustibili e producono emissioni molto contenute.
L’elettricità è prodotta ad alta frequenza.
Le microturbine rappresentano una novità per il mercato della generazione distribuita,
essendo state commercializzate attorno all’anno 2000. Tali macchinari si basano
sull'impiego di un ciclo rigenerativo associato a turbomacchine radiali, che per le
taglie piccole risultano più economiche e meglio operanti rispetto alle macchine
assiali su cui si basa la tecnologia dei turbogas industriali. La singola microturbina è
caratterizzata da potenze nominali che vanno da 28 kW a 100 - 200 kW.
L’architettura modulare, tuttavia, consente di installare potenze maggiori
semplicemente realizzando un parallelo di più macchine. Esse sono anche idonee al
recupero del calore allo scarico in quanto, nel caso di impiego di gas naturale come
combustibile, i gas esausti escono a una temperatura di circa 270°C.
La tecnologia delle microturbine deriva da quella delle turbine aeronautiche e in
particolare da quella dei generatori ausiliari utilizzati a bordo degli aerei. Un sistema
per generazione elettrica a microturbina è essenzialmente costituito da compressore,
combustore, turbina, recuperatore (opzionale) e generatore ad alta velocità (da 60
mila giri al minuto a oltre 90 mila giri al minuto). Per applicazioni di cogenerazione è
presente inoltre un sistema di recupero del calore.
Il generatore elettrico utilizzato sulle microturbine è integrato direttamente sull'albero
della turbina. La corrente ad alta frequenza (1300-4000 Hz) fornita dal generatore
del sistema a microturbina viene convertita, tramite un raddrizzatore a diodi, in
corrente continua e quindi riconvertita in corrente alternata a 50 o 60 Hz da un
inverter. Rispetto all'alternatore convenzionale l'impiego del generatore ad alta
velocità in sistemi a microturbina offre diversi vantaggi quali: un costo inferiore,
minori perdite di potenza, maggiore affidabilità, maggiore compattezza, indipendenza
della frequenza della corrente elettrica dalla velocità della turbina. Tutti i
componenti: turbina a gas, generatore elettrico, elettronica di potenza e controllo,
sono integrati in un unico package.
Il sistema può funzionare in parallelo alla rete oppure allacciato in isola ad un carico
elettrico. L’energia elettrica è generata ad una tensione di 480 Vac.
Il sistema è comprensivo di trasformatore trifase installato internamente alla cabina.
Lo scambiatore di calore viene fornito corredato di una serranda di by-pass sui fumi
in ingresso allo scambiatore. La serranda, permette di parzializzare la produzione di
energia termica.
Per le loro caratteristiche i sistemi di micro-cogenerazione si prestano bene per le
applicazioni di piccola taglia nel settore commerciale (alberghi, piccoli ospedali,
centri sportivi, comunità, distributori autostradali, ecc..) o nella piccola industria,
specialmente dove viene particolarmente avvertito il problema della continuità di
fornitura dell'energia elettrica e della qualità dell’energia elettrica in termini di
tensione e frequenza. Sono ben noti infatti i problemi causati dalle “microinterruzioni” nei sistemi elettronici di controllo.
Il basso contenuto di inquinanti nei gas esausti (< 9 ppm di NOx) ne rende inoltre
possibile l'impiego diretto per il riscaldamento e l'essiccazione.
La microturbine a gas (MTG) è un particolare tipo di turbina a gas caratterizzata da
taglie di potenza elettrica tipicamente nell’intervallo che va dai 30 ai 200 kW e e
rendimenti elettrici dell’ordine di 25-30%.
FUNZIONAMENTO MICROTURBINA
Uno schema concettuale di una microturbina è mostrato in fig. 1.
Il funzionamento prevede l’ingresso di aria esterna attraverso un compressore,
preriscaldata in uno scambiatore di calore ed ulteriormente riscaldata nella camera di
combustione. I gas caldi vengono espansi in turbina e quindi passano nello
scambiatore di recupero prima di essere scaricati.
Quando il sistema opera in assetto cogenerativo è presente un secondo scambiatore di
calore che sfrutta la temperatura ancora elevata dei gas per riscaldare un fluido
esterno, tipicamente l’acqua che alimenta le utenze termiche.
Il recupero termico non inficia le prestazioni elettriche del sistema: la potenza termica
generata può essere variata (tra il suo massimo e zero) in base alle richieste, senza
condizionare il rendimento elettrico della generazione di energia elettrica.
La potenza meccanica disponibile all’albero della turbina viene impiegata in parte per
trascinare il compressore ed in parte viene ceduta all’esterno, ad un generatore di
corrente elettrica calettato sull’asse del turbocompressore. Per le MTG si adottano
soluzioni tecnologiche non sofisticate, evitando gli accorgimenti più evoluti propri
delle macchine di grande potenza, che non sarebbero economicamente giustificabili
su macchine così piccole.
Fig. 1 – Schema di funzionamento delle microturbine in assetto cogenerativo
Date le ridotte potenze in gioco e per contenere le dimensioni del sistema, il gruppo
turbocompressore ruota con velocità molto elevate (dell’ordine di 100 000 giri al
minuto), il che comporta elevati valori della frequenza della corrente generata; inoltre
il sistema è progettato per funzionare con velocità di rotazione variabile al variare del
carico, producendo corrente alternata a frequenza variabile: per questo motivo a valle
dell’alternatore è previsto un sistema elettronico di condizionamento, per convertire
la corrente alternata alla frequenza nominale di rete pari a 50 Hz. Con tale modalità
operativa a giri variabili, oltre a dotare la microturbina di elevata flessibilità di
funzionamento, si attenua il decadimento di prestazioni in termini di rendimento che
si avrebbe a carico ridotto se la velocità fosse costante: pertanto le MTG sono anche
utilizzabili in applicazioni nelle quali è richiesta una frequente modulazione del
carico.
10 BUONI MOTIVI PER SCEGLIERE LE MICROTURBINE
1. COMPATTEZZA
Le dimensioni ridotte rendono possibile l’installazione in spazi limitati e la
modularità del sistema consente di variare configurazione a seconda del fabbisogno
energetico.
2. ELEVATO RAPPORTO POTENZA-PESO
A una struttura leggera corrisponde una potenza particolarmente elevata.
3. FACILITÀ DI GESTIONE
La modalità di controllo a microprocessore semplifica le procedure di gestione
dell’impianto.
4. DISPONIBILITÀ DI MODELLI
Il mercato offre vari modelli di potenza elettrica compresa tra i 30 kWe e 300 kWe.
5. CONTROLLO A DISTANZA
L’operatività delle microturbine può essere monitorata via modem da un computer
remoto.
6. SICUREZZA
Se si verifica un’anomalia, il sistema avvia una procedura automatica di spegnimento
dell’impianto.
7. BASSO IMPATTO ACUSTICO
La silenziosità della macchina e le ridotte vibrazioni consentono un’ampia libertà di
installazione.
8. RISPARMIO
All’alto rendimento del sistema corrispondono vantaggi economico-gestionali.
9. DURATA
Rispettando i cicli di manutenzione, il funzionamento della macchina è garantito per
6000 ore all’anno su un periodo di dieci anni.
10.TUTELA AMBIENTALE
Le microturbine danno luogo a emissioni inquinanti molto contenute.