Motore termico Converte calore in lavoro meccanico Produzione di
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Progettazione Sostenibile nei Processi Chimici ed Energetici Riduzione del consumo energetico nell’industria di processo INTEGRAZIONE DI MOTORI TERMICI Motore termico Converte calore in lavoro meccanico Produzione di energia elettrica Es. turbina Sottrae calore Qin alla sorgente a temperatura TH Restituisce calore Qout alla sorgente a temperatura TC < TH W = Qin - Qout Il motore termico può essere considerato utility calda o fredda A meno dei rendimenti meccanici del sistema W = Q in ηC elevato TH −TC = η C Q in TH TC bassa => utility calda a bassa temperatura TH alta => utility fredda ad alta temperatura 43 Progettazione Sostenibile nei Processi Chimici ed Energetici Riduzione del consumo energetico nell’industria di processo A Pinch B Violano regole del pinch A => QC = QC min + Qout B => QH = QH min + Qin B Pinch A. QH = QH min - Qout A B. QC = QC min - Qin 44 Progettazione Sostenibile nei Processi Chimici ed Energetici Riduzione del consumo energetico nell’industria di processo MT • Motori alternati diesel o a gas • Turbine a vapore • Turbine a gas Stand-alone Impianti combinati => turbina a gas + turbina a vapore ST GT Lavoro utile Lavoro utile Vapore Calore utile Calore perso Calore perso Calore utile RE Lavoro utile Raffreddamento Fumi Calore utile 45 Progettazione Sostenibile nei Processi Chimici ed Energetici Riduzione del consumo energetico nell’industria di processo QU QP Combustibile Aria QP QU 500 450 400 350 300 250 T+- ∆ T/2 200 150 100 50 0 -10 10 30 50 Q 46 70 Progettazione Sostenibile nei Processi Chimici ed Energetici Riduzione del consumo energetico nell’industria di processo QP Aria Combustibile S1 S2 S3 500 450 S1-3 400 350 300 250 T+- ∆ T/2 200 150 100 50 0 0 20 40 60 Q 47 80 Progettazione Sostenibile nei Processi Chimici ed Energetici Riduzione del consumo energetico nell’industria di processo QU S Aria QP Combustibile S QU 500 450 400 350 300 250 T+- ∆ T/2 200 150 100 50 0 0 1 2 3 4 5 6 Q 48 7 8 9 10 Progettazione Sostenibile nei Processi Chimici ed Energetici Riduzione del consumo energetico nell’industria di processo Cogenerazione (CHP) => elettricità + calore Fattori influenti 1. Bilancio termico dell’impianto o Non tutto il calore dal CHP Risparmio di calore tutto sulle caldaie (combustibile) Convenienza a ridurre il consumo o Tutto il calore dal CHP Risparmio su calore a bassa qualità (vapore BP) Minore convenienza 2. Tariffe elettricità (Giorno-notte; picco; interrompibilità) o Alto prezzo Autoproduzione Flessibilità 3. Vendita elettricità 4. Costi del combustibile 5. Valore residuo (marginale) del riscaldamento o Tutto il calore dal CHP + vendita energia Costo residuo basso (anche < 0) o Calore residuo da caldaie 49 Progettazione Sostenibile nei Processi Chimici ed Energetici Riduzione del consumo energetico nell’industria di processo INTEGRAZIONE DI POMPE DI CALORE Pompa di calore Trasferisce calore da una sorgente a temperatura TC ad una a temperatura TH > TC a spese di lavoro meccanico Trasforma lavoro in calore Qout = Qin + W Una pompa di calore può essere considerata utility calda o fredda La stessa unità può svolgere entrambe le funzioni A meno dei rendimenti meccanici del sistema W = Q out TH −TC = η C Q out TH W basso => TH - TC basso => utility calda a bassa temperatura => utility fredda ad alta temperatura 50 Progettazione Sostenibile nei Processi Chimici ed Energetici Riduzione del consumo energetico nell’industria di processo Possibili schemi di Installazione Fornisce calore sopra il pinch Sostituisce una parte del duty con lavoro meccanico Fornisce calore sotto il pinch Soluzione ottimale 51 Progettazione Sostenibile nei Processi Chimici ed Energetici Riduzione del consumo energetico nell’industria di processo Qin W Qout 500 450 400 350 Qout 300 W 250 T+- ∆ T/2 200 150 100 50 Qin 0 0 20 40 Q 52 60 80 Progettazione Sostenibile nei Processi Chimici ed Energetici Riduzione del consumo energetico nell’industria di processo INTEGRAZIONE DI REATTORI 1) Reattore adiabatico: F P Alimentazione Inerte Prodotti Inerte HP = HF + |∆HR | Calore di reazione 2) Alimentazione e Nel prodotto (R. esotermico) Nell’alimentazione (R. endotermico) Con inerte Hot (Cold) Shot => iniezioni intermedie prodotto correnti (calde o fredde) del sistema Scambio di calore con l’esterno Q F P Alimentazione Prodotti F P Alimentazione Prodotti Q Solitamente tramite utility fredda (reazione esotermica) calda (reazione endotermica) Il motore termico può essere considerato utility calda o fredda 53 Progettazione Sostenibile nei Processi Chimici ed Energetici Riduzione del consumo energetico nell’industria di processo Reazione esotermica A A: QH = QHmin - Q B: QC = QCmin + Q B A B Reazione Endotermica 54 A: QH = QHmin + Q B: QC = QCmin - Q Progettazione Sostenibile nei Processi Chimici ed Energetici Riduzione del consumo energetico nell’industria di processo PERCORSO DI OTTIMIZZAZIONE 1. Raccolta dei dati: • Bilanci di materia e energia • Identificazione delle curve calde e fredde • Proprietà (Mcp e T) 2. Scelta del ∆Tmin iniziale • Ottimizzazione o area scambiatori o consumi energetici o costi totali • Esperienza => tipo di processo 3. Stima delle richieste energetiche minime • Curve composte 4. Valutazione delle temperature ottimali delle utilities 5. Identificazione del Pinch 6. Progetto della rete MER 7. Relaxing della soluzione MER • Eliminazione dei cicli • Rimodulazione dei carichi ai percorsi 55 Progettazione Sostenibile nei Processi Chimici ed Energetici Riduzione del consumo energetico nell’industria di processo Regole Generali: a. Non trasferire calore attraverso il Pinch b. Non fornire calore al di sotto del Pinch c. Non sottrarre calore al di sopra del Pinch Come procedere nei singoli passaggi 1 Identificazione delle singole unità dell’impianto Bilanci per ciascuna unità 2 Simulazione dell’impianto 3 Costruzione grafica delle curve 4 5 Utilizzo di software o fogli di calcolo 6 Software completamente automatici basati su sovrastrutture pure 7 Inserimento su software di progettazione con intervento umano sulle singole scelte 56
