RTS
energie alternative
Tecnologia
Assorbitori per impianti di piccola cogenerazione
Maya
La cogenerazione e la trigenerazione sono argomenti di grande
attualità. Provvedimenti normativi e legislativi atti a promuovere
l’utilizzo esteso di queste proposte tecnologiche sono in dirittura
d’arrivo e se ne prevedono di conseguenza importanti sviluppi
applicativi, in particolare per impianti di piccola taglia.
Gli impianti di piccola cogenerazione coprono potenze elettriche fino a
500 kW ed utilizzano allo scopo motori a combustione interna.
Notevole interesse riveste il loro accoppiamento con piccoli gruppi refrigeratori ad assorbimento che permettono la conversione del calore
recuperato dal sistema cogenerativo in energia frigorifera atta agli impieghi più vari, quali processi industriali e climatizzazione ambientale.
I gruppi utilizzati allo scopo sono caratterizzati da potenze frigorifere
fino a circa 105 kW, sono modulari nella concezione costruttiva e compatibili tra di loro, il che permette installazioni con più unità per coprire
livelli di potenza diversi. Essi vengono alimentati con acqua a temperature assai basse, fra i 70 e i 95 °C e producono acqua a 7 °C, con un
rapporto di conversione del 70 %.
Questa soluzione tecnologica, altrimenti denominata trigenerazione,
trova da tempo ampia e proficua diffusione nei paesi del nord Europa,
assai attenti ad ogni proposta di risparmio energetico.
riscaldamento
climatizzazione
idronica
Paolo Colaiemma
66
RCI n.1/2008
Dalla cogenerazione...
Il termine cogenerazione si riferisce alla produzione combinata di calore
ed energia elettrica (CHP = Combined Heat and Power) ottenuta impiegando energia primaria.
L’energia primaria può essere gas o gasolio utilizzati in un motore a
combustione interna, che aziona un generatore elettrico.
Una gran parte del calore generato dal motore viene recuperata ed utilizzata per altri scopi.
In passato, era uso comune installare in loco gruppi elettrogeni, sia
per le emergenze - stand by - da utilizzare cioè in caso d’interruzione
dell’alimentazione da rete, sia per la produzione dell’energia elettrica
necessaria in tutti quei casi in cui questa non era altrimenti disponibile.
Allora non si prestava grande attenzione al rendimento complessivo del
sistema; la figura 1 illustra l’efficienza caratteristica di una installazione
di produzione di energia elettrica senza alcun recupero del calore dal
motore. Gli attuali costi dell’energia primaria, quelli dell’energia elettrica
e l’efficienza globale ottenibile con il recupero del calore da un gruppo
elettrogeno hanno cambiato completamente l’intero concetto impiantistico adottato, portando alla scelta di soluzioni miranti alla drastica ri-
duzione dei costi. Il rendimento ricavabile
su motori a gas, che convertono l’energia
meccanica in energia elettrica, è dell’ordine del 32%; ciò in altri termini significa
che l’acqua di raffreddamento del motore
e i gas prodotti disperdono quasi il 70%
dell’energia potenziale contenuta nel
combustibile di alimentazione impiegato.
Peraltro, normalmente la possibilità di
recupero del calore generato dal motore
può risultare dell’ordine dell’80 %.
L’efficienza del sistema di cogenerazione
può essere così espressa:
Ep + (Pe - Ep) er
Pe
dove :
Te = efficienza totale
Ep = energia elettrica
Pe = energia primaria
e = efficienza del recupero
La figura 2 illustra visivamente i vari valori
in gioco. Quanto sopra dimostra chiaramente che se, invece di utilizzare combustibile per produrre solo energia elettrica,
si recuperasse ed impiegasse il calore prodotto si otterrebbe un incremento dell’efficienza del 54%, con valori complessivi di
questa pari al 86 %.
Deve comunque esistere un uso continuo
del calore disponibile durante tutto il periodo di produzione dell’energia elettrica.
Se dovesse verificarsi un utilizzo solo parziale, il rendimento complessivo risulterebbe penalizzato.
La figura 3 illustra l’andamento decrescente dell’efficienza del sistema in funzione
del mancato uso del calore prodotto.
Affinché quindi il sistema di cogenerazione risulti valido, scontata la produzione di
energia elettrica, deve verificarsi una contemporanea possibilità di utilizzo del calore disponibile; può altrimenti essere detto
che, assodato un conveniente impiego
del calore, deve essere opportunamente
utilizzata l’energia elettrica prodotta.
2 Cogeneratore (CHP) in cui è previsto il recupero del calore per il riscaldamento e la produzione
di acqua sanitaria.
3 Rendimento complessivo di
un cogeneratore in funzione
della quantità di calore
recuperata ed utilizzata.
La concomitanza degli impieghi rappresenta quindi il fattore critico del sistema.
La possibilità di riversare in rete l’eccedenza elettrica disponibile, ovverosia non
utilizzabile direttamente, risolve immediatamente il problema della contemporaneità dell’utilizzo. In altri termini, in questo
caso l’impianto di cogenerazione risulta
sempre completamente e continuamente impegnato a pieno carico. Ovviamente
l’eccedenza ceduta alla rete deve essere
equamente compensata (buy back).
È molto probabile che il cogeneratore usi
in loco tutta l’energia prodotta, particolarmente se trattasi di applicazioni industriali.
In molti casi si verifica pure un uso locale
del calore di recupero in processi associati.
Nel settore terziario (uffici, centri commerciali, alberghi, ospedali, eccetera) l’utilizzo
del calore, viceversa, deve essere consideriscaldamento
climatizzazione
idronica
Te =
1 Rendimento elettrico di un generatore tradizionale operante senza alcun recupero termico.
67
RCI n.1/2008
4 Sistema di trigenerazione con utilizzazione del calore per la sola produzione di acqua
refrigerata.
rato diversamente. Mentre i mesi invernali
offrono buone opportunità di impiego del
calore per il riscaldamento ambientale e
per l’acqua calda sanitaria, non altrettanto può dirsi per quelli estivi.
riscaldamento
climatizzazione
idronica
…alla trigenerazione
Il calore disponibile andrebbe per la massima parte irrimediabilmente perso, se
non fosse possibile un suo proficuo impiego in un gruppo frigorigeno ad assorbimento. In questo caso, più che di
cogenerazione si può parlare di trigenerazione (CCHP = Combined Cool Heat
and Power). Le macchine ad assorbimento disponibili sul mercato utilizzano soluzioni di bromuro di litio ed acqua. Sono
caratterizzate da un COP (Coefficient Of
Performance) attorno allo 0.7, funzionano seguendo un ciclo ad assorbimento a
singolo effetto e producono acqua refrigerata a 7 °C con alimentazione ad acqua calda ricavata dall’impianto di cogenerazione approssimativamente a 90 °C.
Considerato tale COP, con l’assunzione
che, ad esempio, tutto il calore recuperato dal motore sia impiegato nell’assorbitore, la figura 4 evidenzia il rendimento
complessivo del sistema, che risulta nell’ordine del 70 %.
L’utilizzo del calore per il raffrescamento
oltre che per il riscaldamento ambientale
e la produzione di acqua calda sanitaria
migliora sostanzialmente l’economicità
del sistema.
La figura 5 illustra l’incremento dell’efficienza del sistema nel caso in cui una
frazione del calore inutilizzato per il ri-
68
RCI n.1/2008
scaldamento e per l’acqua sanitaria venga impiegato per il raffrescamento. In
pratica è poco probabile che tutto il calore recuperato dal motore possa essere
completamente utilizzato.
Il calore disponibile può essere così definito:
Hr = (Pe - Ep) er
dove:
Hr = calore di recupero utilizzabile
Pe = energia primaria
Ep = energia elettrica
er = efficienza del recupero
Ne segue che l’efficienza totale del sistema potrà essere rappresentata dalla
seguente espressione:
Te =
Ep + Hr $ qh + Hr $ qc $ Ae
Pe
dove:
Te = efficienza totale
qh = frazione di calore assorbita dal riscaldamento (valore percentuale)
qc = frazione di calore assorbita dal raffrescamento (valore percentuale)
Ae = COP del processo ad assorbimento
Alla formula sopra indicata bisognerà
fare riferimento per un calcolo, sia pur
approssimato, dell’efficienza complessiva e della convenienza economica dell’impianto, tenuto conto dei diversi valori
delle varie forme di energia in gioco.
Le macchine frigorigene ad assorbimento
Le macchine frigorigene ad assorbimento prese in considerazione sono quelle di
piccola potenza, alimentate ad acqua calda, impieganti come fluido di lavoro una
soluzione di acqua e bromuro di litio.
Dette unità sono state concepite per l’utilizzo di calore a bassa temperatura, con
applicazioni tipiche in processi industriali
ed in sistemi di cogenerazione di limitata
potenzialità.
La temperatura dell’acqua calda richiesta dal ciclo ad assorbimento è compresa
fra i 70 °C e 95 °C. L’acqua refrigerata è
prodotta a 7 °C, particolarmente idonea,
quindi, all’impiego in processi di raffreddamento tecnologico e di condizionamento dell’aria. Lo smaltimento del calore
nel processo ad assorbimento è ottenuto
con la circolazione di acqua nello scambiatore dell’assorbitore/condensatore. Le
macchine, di produzione di serie, sono
disponibili in potenze nominali frigorifere
comprese fra 17,5 kW e 105 kW, (corrispondenti a 5 ed a 30 RT; 1 Refrigeration
Ton - 1 RT = 3,5 kWf). Essendo gruppi
modulari compatibili tra di loro possono
essere installati in più unità per coprire diversi livelli di potenza.
L’utilizzazione del calore di recupero in un
impianto di cogenerazione risulta la naturale applicazione di queste macchine.
Le prestazioni di ogni singola unità vengono evidenziate dalle relative curve caratteristiche.
Nelle figure 6 a, b e c si riportano quelle
dell’unità di potenza frigorifera nominale
pari a 105 kW, che ci serviranno per l’illustrazione dell’esempio appresso riportato.
Le curve contemplano temperature di
ingresso dell’acqua di raffreddamento rispettivamente di 27 °C, 29.5 °C, 31 °C e
32 °C. Per le stesse varranno le seguenti
considerazioni, valide peraltro per tutta la
gamma delle apparecchiature.
Tenendo fissa la temperatura dell’acqua
refrigerata prodotta, pari a 7 °C, la potenza frigorifera erogata è fortemente influenzata dalle temperature dell’acqua di
raffreddamento o meglio di dissipazione e
dalla temperatura dell’acqua di alimentazione. Si otterranno valori di potenza più
elevati, infatti, diminuendo la temperatura dell’acqua di raffreddamento oppure
aumentando quella di alimentazione. La
temperatura dell’acqua di raffreddamento, che comunque non può scendere sotto il valore di 24 °C per evitare fenomeni
di cristallizzazione della soluzione di lavoro, è dettata, nel caso di utilizzo di torri
evaporative, dalla temperatura a bulbo
umido dell’aria esterna, caratteristica questa della località di installazione.
La temperatura dell’acqua di alimentazione non può eccedere, sulle unità considerate, i 95 °C, per motivi di sicurezza
operativa, risultando la temperatura limite
di progetto pari a 100 °C. Essa, peraltro,
come sopra accennato, può scendere a
valori molto bassi, scontando per contro
forti penalizzazioni di potenza.
In figura 6c è illustrato anche l’andamento del fattore di penalizzazione della potenza frigorifera per riduzione della portata dell’acqua di alimentazione, fermi
restando i rimanenti valori caratteristici di
funzionamento.
I valori ottenibili dai grafici illustrati possono essere utilizzati per ipotizzare differenti
condizioni di lavoro della macchina, anche se i risultati ottenibili debbono essere
considerati solo indicativi.
Schema concettuale di impianto di
trigenerazione
In figura 7 è illustrato uno schema concettuale di impianto di trigenerazione che
impiega un motore endotermico ed un assorbitore con distribuzione a 4 tubi.
L’impianto è caratterizzato da due circuiti,
quello primario al servizio del motore/alternatore, dotato di dissipatore di emergenza, e quello secondario di gestione dell’assorbitore e relativa torre evaporativa. I due
circuiti sono interconnessi da un collettore, altrimenti denominato disgiuntore.
Qualora fosse richiesta una separazione
fra i due circuiti, per la loro interfaccia può
essere impiegato uno scambiatore. Il collettore, che è dotato di quattro connessioni, deve essere dimensionato in modo tale
da assicurare le minime perdite di carico.
All’avvio del motore viene azionata anche
la pompa P5. Il liquido di raffreddamento
del motore fluirà dal collettore attraverso
la valvola miscelatrice MV3 al motore e
ritornerà quindi al collettore.
Qualora il sistema non chieda calore ed il
Compatibilità delle macchine
Le varie considerazioni fatte finora presuppongono che l’impianto di trigenerazione sia stato ben studiato per la sua
riscaldamento
climatizzazione
idronica
5 I grafici si
riferiscono
ad un sistema di
trigenerazione in
cui tutto il calore
disponibile, non
utilizzato per il
riscaldamento e
l’acqua sanitaria,
viene impiegato per
la refrigerazione.
liquido refrigerante ecceda il limite di temperatura prefissato (nell’ordine dei 90 °C)
la valvola MV3 devierà parte dello stesso
al dissipatore di emergenza. In tal modo
verrà garantita la temperatura massima di
ritorno dettata dal costruttore del motore.
Allorché il liquido di raffreddamento del
motore avrà incrementato la sua temperatura nel collettore (o nello scambiatore
di calore) fino a 70 °C e sia richiesta acqua
refrigerata, verranno azionate le pompe
P3, P2 e P1 a servizio dei circuiti idraulici
dell’assorbitore. L’acqua calda di alimentazione affluirà dal collettore attraverso le
valvole deviatrici MV2 e MV4 sino all’assorbitore e da questo ritornerà al collettore.
L’acqua refrigerata spinta dalla pompa P1
fluirà alle diverse utenze (centrale di trattamento aria, ventilconvettori od altro).
Se è richiesto contemporaneamente calore,
la valvola deviatrice MV1 verrà azionata allo
scopo di convogliare l’acqua calda proveniente dall’assorbitore all’utenza termica.
Nel caso di solo fabbisogno termico per
riscaldamento, la valvola MV4 escluderà
l’assorbitore.
Qualora il motore venga posto fuori servizio per manutenzione o altro, la valvola
MV2 provvederà a deviare tutto il fluido
termovettore verso la caldaia ausiliaria,
allo scopo di soddisfare comunque l’utenza. La stessa, ovviamente, dovrà essere in
grado di fornire l’acqua calda alle temperature e nelle quantità di progetto.
Nello schema è prevista una torre evaporativa chiusa. Poiché la qualità dell’acqua
ed il suo trattamento richiedono pur sempre
una particolare attenzione, le torri chiuse
offrono una opportuna opzione. Va tenuto
conto nel dimensionamento di questa, in
ogni caso, della temperatura di bulbo umido
caratteristica della località di installazione.
69
RCI n.1/2008
a
b
c
riscaldamento
climatizzazione
idronica
6 Curve caratteristiche di prestazione di un assorbitore di potenza frigorifera nominale pari a
105 kW: potenza frigorifera (a), potenza termica (b), fattore di penalizzazione (c).
70
RCI n.1/2008
specifica applicazione e che le diverse
macchine adottate siano tra loro perfettamente compatibili; in particolare per
quanto riguarda gli assorbitori siano stati
verificati gli intervalli di temperatura e le
portate d’acqua utilizzate.
Un’attenta progettazione dell’impianto
deve mirare ad un sostanziale recupero
del calore disponibile; ciò è particolarmente necessario allorché questo viene per la
massima parte impiegato nell’assorbitore,
la cui alimentazione e le cui prestazioni
sono ad esso strettamente correlate.
Una disattenta valutazione delle portate
e della compatibilità delle temperature
possono rendere il sistema praticamente
inefficace.
Frequentemente, il recupero del calore
da un motore è effettuato mediante la
circolazione di acqua con portate atte ad
ottenere un salto termico di 20 °C, con
mandata a 90 °C e ritorno a 70 °C.
Se si ipotizza che nel circuito primario,
quello del motore, sia disponibile una temperatura massima di 90 °C, ne consegue
che anche nel circuito secondario, quello
di alimentazione dell’assorbitore, è teoricamente disponibile la stessa temperatura.
Qualora poi l’assorbitore fosse in grado di
sfruttare tutto il salto termico provvisto dal
primario, ne risulterebbe un pieno utilizzo
della potenza termica recuperata dal motore. Va tenuto presente, per contro, che
gli assorbitori normalmente non riescono a
lavorare con un differenziale di temperatura così ampio e comunque qualora operino
con temperature medie di alimentazione
inferiori a quelle di progetto, le loro prestazioni vengono sostanzialmente penalizzate (vedi figura 6c). Tutto ciò si traduce
praticamente in un parziale utilizzo della
potenza termica erogata dal primario.
Il calore inutilizzato può naturalmente essere impiegato altrove o smaltito nel radiatore di emergenza.
Tuttavia questo è calore che può essere
stato considerato completamente disponi-
7 Schema concettuale di impianto di trigenerazione.
La valutazione delle prestazioni
Consideriamo un motore che, funzionando in assetto cogenerativo, produca
a pieno carico 180 kW termici, con temperatura di mandata dell’acqua a 90 °C
e di ritorno a 70 °C. La portata dell’acqua
nel circuito relativo risulterà in base alla
formula seguente
V=
Pt
Dt x k
(1)
dove:
V = portata volumetrica dell’acqua (l/s)
∆t = differenziale di temperatura dell’acqua (°C)
Pt = potenza termica scambiata (kW)
k = fattore di conversione: 4,187 (kW s/°C l)
pari a:
V=
180 kW
= 2, 1l/s
20cC x 4, 187 kW s / cC I
Consideriamo poi l’adozione di un assorbitore da 105 kW di potenza nominale, le cui caratteristiche prestazionali
siano quelle illustrate nelle curve sopra
riportate.
Supponiamo di alimentare l’assorbitore
con l’acqua ricavata dal motore, adottando una uguale portata. Questa pari
a 2,1 l/s risulta il 29% di quella di targa
dell’assorbitore considerato, stabilita a
7,2 l/s, corrispondente quindi ad un fattore di penalizzazione della potenza erogata di 0,73 (valore evidenziato dal punto
C nel grafico di figura 6).
Avendo fissato la temperatura dell’acqua
di alimentazione dell’assorbitore a 90 °C,
ipotizzata una temperatura d’ingresso
allo stesso dell’acqua del circuito di condensazione a 29,5 °C, si otterrà dalle curve caratteristiche di prestazione rispettivamente :
Pf potenza frigorifera erogata = 118,6 kW
(punto A) x 0,73 = 86,6 kW
Pt potenza termica assorbita = 174,9 kW
(punto B) x 0,73 = 127,7 kW
Il salto termico dell’acqua nel circuito di
alimentazione per la (1) risulterà il seguente
Dt =
127, 7 kW
= 14, 5cC
2, 1l/ sec x 4, 187 kW s / cC I
Operando in tal modo solo 127,7 kW
dei 180 kW disponibili, il 70 % circa, sa-
riscaldamento
climatizzazione
idronica
bile nel progetto della macchina ad assorbimento e, come sopra accennato, se la
quantità di calore recuperata dal motore
non è largamente eccedente quella richiesta dall’assorbitore ne risulterà una cospicua riduzione della potenza frigorifera
ottenibile. La massima potenza ricavabile
si registra in ogni caso allorché la portata
del circuito secondario risulta praticamente la stessa del circuito primario.
L’esempio appresso riportato chiarirà meglio tutto quanto sopra asserito.
ranno utilizzati proficuamente nel processo di refrigerazione. Conseguentemente il
restante 30% dovrà essere impiegato in
altro modo o semplicemente dissipato in
atmosfera.
Qualora si volesse utilizzare lo stesso per
ulteriore refrigerazione si potrà impiegare
un secondo assorbitore, naturalmente di
potenzialità ridotta rispetto a quello sopra
indicato, ad esempio 70 kW nominali, da
installare in serie al primo. La temperatura
di alimentazione di questa unità risulterà
ovviamente pari a :
Ta = 90 °C – 14,5 °C = 75,5 °C
La portata dell’acqua di alimentazione
rimarrà peraltro la stessa, V = 2,1 l/sec.
Procedendo come sopra, si otterrà rispettivamente:
Pf potenza frigorifera erogata =
44,3 kW x 0,83 = 36,8 kW
Pt potenza termica assorbita =
57,1 kW x 0,83 = 47,4kW
Il differenziale di temperatura dell’acqua di alimentazione risulterà per la (1)
pari a 5,5 °C.
Questi, aggiunti ai 14,5 °C precedenti,
daranno i 20 °C richiesti.
La potenza termica totale utilizzata
ammonterà a 175,1 kW sui 180 kW
disponibili e produrrà un effetto frigorifero di 123,4 kW, con un COP complessivo pari a 0,7.
Ovviamente accanto a queste valutazioni puramente tecniche, dovrà essere presa in considerazione la convenienza economica al completo utilizzo
dell’energia termica disponibile, dati i
bassi valori di ritorno sugli investimenti
marginali da effettuare.
Va sottolineato ancora una volta, infine, come i valori così ottenuti debbono essere considerati solo di larga
approssimazione e come tali, pertanto,
utilizzati.
71
RCI n.1/2008
