Biogas, syngas, biomasse, cogenerazione e fonti rinnovabili
Si parla sempre più spesso di fonti rinnovabili e di cogenerazione, allo scopo di produrre energia elettrica/termica da fonti alternative.
In Italia sono già diverse le centrali a biomasse, con produzione di energia termica/elettrica da cippato di legno, pollina e similari.
Si sono sviluppati e continua a crescere anche il numero di impianti funzionanti a biogas, derivato da discariche, liquami, scaduti ecc…
Una nuova frontiera che appare sempre più interessante, è quella segnata dal syngas, gas di sintesi, derivato dalla dissociazione molecolare attuata sui rifiuti.
Per tutte queste applicazioni, esistono ovviamente i sistemi per il recupero o la dissipazione dell’energia termica. Gli ultimi due necessitano inoltre di adeguati impianti per il trattamento dei gas (biogas o syngas che sia), prima di inviarlo ai cogeneratori.
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Scambiatori a piastre per teleriscaldamento
Negli impianti di teleriscaldamento è generalizzato l’utilizzo degli scambiatori di calore a piastre, sia nelle centrali di produzione dell’energia o di cogenerazione, che nelle sottostazioni locali dove viene utilizzata l’energia prodotta.
Solitamente nelle centrali di produzione si utilizzano scambiatori a piastre ispezionabili, per via della maggiori capacità termiche richieste, mentre nelle sottostazioni locali, la scelta può essere in opzione con scambiatori ispezionabili oppure con scambiatori saldobrasati.
Mentre un tempo la scelta propendeva per la soluzione ispezionabili, adducendo motivi di manutenzione e possibilità di ampliamento future, gli impianti di ultima generazione prevedono l’impiego di scambiatori saldobrasati.
I motivi che favoriscono questa scelta sono principalmente i seguenti:
- maggiore resistenza meccanica alle pressioni
- nessuna necessità di manutenzione, i circuiti sono sigillati, quindi esenti da sporcamento
- nessuna necessità di implementazione o potenziamento futuro, solitamente le sottostazioni sono dimensionate per la potenza richiesta
- assenza di problemi di perdite da guarnizioni usurate
- maggiore compettezza
Le sottostazioni di teleriscaldamento (district units), sono poi corredate da una serie di apparecchiature accessorie, che le rendono delle vere e proprie caldaie, dove il fluido riscaldante non è più la fiamma generata dal bruciatore, ma l’acqua surriscaldate messa a disposizione dalla centrale.
E’ estremamente importante il sistema di gestione e misurazione dell’energia consumata, infatti mentre nel classico impianto a gas, abbiamo il contatore di metano consumato, in questo caso l’energia va quantificata in base alla portata di acqua e la differenza di temperatura tra ingresso ed uscita della stessa dalla sottostazione.
Definizione di Energia Termica
Mi sembrava opportuno inserire in un sito di questo tipo, una definizione didattica dell’energia termica…
Utilizzo di scambiatori di calore negli impianti di cogenerazione
Ci sono modi diversi per produrre elettricità. In questo caso viene utilizzato un motore a combustione a gas naturale. Questo tipo di sistema è chiamato “impianto di cogenerazione” e può essere utilizzato per esempio, come energia di sostegno in aeroporti o in altri luoghi in cui non deve mai mancare elettricità. Gli scambiatori di calore a piastre sono particolarmente idonei al recupero di calore negli impianti di cogenerazione.
Descrizione del sistema
Gli scambiatori di calore a piastre sono eccellenti sia per il recupero del circuito di raffreddamento dell’acqua, sia per l’olio lubrificante del motore. Il calore dissipato dai gas di scarico deve essere però recuperato in uno scambiatore speciale (tipicamente a fascio tubiero), a causa delle temperature elevate; per questo è consigliabile utilizzare un sistema T Recogen.
Il problema
Durante il funzionamento, il motore deve essere raffreddato per evitare l’aumento di calore. In questo motore, la soluzione acqua-antigelo serve da liquido di raffreddamento. Questa soluzione calda deve allora essere raffreddata, ma come?
La Soluzione
In questo schema di cogenerazione, uno scambiatore di calore a piastre è usato per raffreddare il circuito dell’antigelo. L’acqua calda presente nella parte secondaria dello scambiatore, è condotta attraverso un circuito al radiatore, che a sua volta viene utilizzato per scaldare una qualunque altra richiesta di riscaldamento.
Grazie allo scambiatore di calore a piastra, il calore può essere trasferito dal motore all’acqua usata per il riscaldamento senza perdite efficacemente e senza perdite significative.
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Scambiatore di calore: risorse online
Ecco qui qualche interessante link a risorse online sugli scambiatori di calore a piastre e non. Si possono trovare buone descrizioni, informazioni e schede tecniche e molto altro.
Free cooling
Negli ultimi anni, il sempre maggior impiego di acqua fredda per il raffreddamento dei processi industriali, unità alla minore disponibilità di acqua da pozzi, ha creato una crescente richiesta di sistemi in grado di raffreddare l’acqua circolante in circuito chiuso (senza consumo di acqua appunto).
In tal modo l’acqua impiegata è sempre la stessa e la sua qualità può essere tenuta sotto costante controllo.
Esistono tantissimi sistemi di raffreddamento dell’acqua, che fondamentalmente si possono raggruppare in due grandi famiglie:
- sistemi che raffreddano l’acqua sfruttando un circuito frigorifero (chiller, refrigeratori)
- sistemi che raffreddano l’acqua sfruttando l’aria ambiente (free cooler, torri evaporative)
Dal punto di vista economico, i sistemi che sfruttano l’aria ambiente sono sicuramente i più convenienti in quanto hanno un costo, sia di impianto che d’esercizio, molto inferiore.
Esemplificando, possiamo considerare ad esempio un chiller (refrigeratore d’acqua a circuito frigorifero), ed un free-cooler (raffreddatore d’acqua ad aria a pacco alettato): a parità di potenzialità termica dissipata possiamo affermare che il free-cooler costerà circa il 20% e consumerà una potenza elettrica pari al 10% di quanto costa ed assorbe un chiller.
Risulta dunque evidente quanto sia più conveniente utilizzare un free-cooler piuttosto che un chiller, convenienza che aumenta all’aumentare della potenzialità dell’impianto.
Un free-cooler può essere però utilizzato solo quando la temperatura dell’acqua richiesta è superiore alla temperatura ambiente durante tutto (o quasi tutto l’anno).
Quando invece la temperatura dell’acqua richiesta è bassa (più bassa della temperatura ambiente o della temperatura di bulbo umido), si deve ricorrere all’utilizzo di un chiller, che permette di raggiungere temperature anche molto inferiori allo zero.
Ci sono temperature dell’acqua intermedie che permettono di utilizzare il free-cooler per una buona parte dell’anno ed il chiller durante i mesi più caldi, utilizzandoli entrambi nelle stagioni intermedie.
L’abbinamento di un chiller ed un free-cooler per lo stesso processo di raffreddamento, consente interessanti economie di gestione riducendo drasticamente il costo energetico del sistema di raffreddamento.
Motori endotermici per il recupero dell’energia termica
Esistono moduli termici (quasi) standardizzati, dedicati al recupero di energia termica da impianti di cogenerazione realizzati mediante l’impiego di motori endotermici, alimentati a biogas, gas naturale o gasolio.
Risulta infatti economico e remunerativo l’abbinamento di un generatore autonomo di corrente elettrica con la produzione a basso costo di acqua calda, recuperando il calore prodotto dal motore, che in condizioni normali andrebbe dissipato mediante il radiatore.
Queste unità premontate, sono composte generalmente da:
- uno scambiatore di calore per il recupero dell’acqua calda dal circuito di raffreddamento camicie del blocco motore
- uno scambiatore di calore per il recupero dell’acqua calda dal circuito di raffreddamento after cooler (o charge cooler)
- uno scambiatore di calore per il recupero dai fumi esausti di combustione che vanno alla marmitta
- un’elettroradiatore per la dissipazione di emergenza in caso di mancato prelievo dell’energia termica
- valvole di regolazione e di by-pass
- quadro di gestione e di potenza
Tipicamente i primi due sono scambiatori a piastre di tipo ispezionabile, che permettono una ottima efficienza di scambio e quindi dei valori di recupero molto spinti.
Il terzo è invece un classico scambiatore di calore a fascio tubiero, realizzato con una costruzione particolare del tipo a tubi diritti scovolabili, per facilitarne la pulizia dalle incrostazioni provocate dai fumi dello scarico del motore, con testate smontabili.
Il radiatore è indispensabile perchè se il cliente non avesse la necessità di recuperare il calore generato dal motore, quest’ultimo deve essere in condizione di continuare a funzionare per produrre l’energia elettrica richiesta, potendo contare su un diverso sistema di smaltimento del calore prodotto.
Valvole e gestione fanno parte della serie di accessori necessari al funzionamento corretto dell’impianto per il recupero dell’energia termica.
Risparmio energetico grazie alla cogenerazione
Sfruttando il calore di scarto a bassa temperatura, come ad esempio acqua surriscaldata a 100-120°C, è possibile ottenere notevoli volumi di acqua refrigerata con temperature attorno ai +7/8 °C, acqua che può essere convenientemente utilizzata in numerosi cicli dei processi industriali o civili di condizionamento: il costo per queste operazioni è decisamente contenuto mediante l’impiego di chiller ad assorbimento.
Utilizzando in combinazione una caldaia a recupero di calore oppure uno scambiatore di calore fumi/acqua è possibile recuperare fino in fondo ogni calore residuo di gas combusti, ottenendo acqua a bassa temperatura a costi minimi, specie se confrontati con i costi relativi all’acqua raffreddata ottenuta con i classici chiller a cicli frigoriferi.
I tradizionali chiller a compressione presentano i seguenti svantaggi:
- utilizzano fluidi refrigeranti cloro fluorurati (CHFC1), oggi in via di limitazione o regolamentazione d’uso, per i danni ambientali che causano allo strato di ozono dell’atmosfera terrestre
- richiedono un forte consumo di energia elettrica
- danno luogo a notevoli spese per la loro manutenzione
- generano problemi di smaltimento degli oli lubrificanti esausti.
Esempio Tecnico
Facciamo un esempio interessante con qualche numero significativo: abbiamo a disposizione circa 45.000 mc/h di gas combusti/fumi/aria calda provenienti magari da sfiati industriali già trattati. Generalmente questi fumi vengono espulsi dal camino, infatti il basso livello termico ne sconsiglia il recupero efficiente.
Mediante l’uso combinato di uno scambiatore di calore e di un chiller ad assorbimento a bromuro di litio, è invece possibile ottenere una produzione di circa 500.000 KCal/h, che significano conti alla mano circa 100.000 l/h di acqua a 7 °C, con un salto termico di 5 °C e con una potenza elettrica impegnata quasi irrilevante (parliamo di circa una decina di kilowatt) e senza consumo di combustibile ausiliario. Con le soluzioni tradizionali, basate sull’utilizzo di gruppi refrigeratori dotati di compressori, il consumo orario di energia elettrica, a parità di frigorie prodotte, supera i 200 KWh.
L’impiego delle macchine ad assorbimento, in combinazione con sistemi di recupero di calore degradato, di vari tipi di fluidi industriali, oltre a permettere di ridurre quasi a zero il consumo di energia elettrica, presenta il grande vantaggio della mancanza di organi meccanici in movimento e quindi l’assenza di fenomeni di usura, e della assoluta silenziosità di funzionamento nonchè di una vita eccezionalmente lunga dell’unità.
E’ importante aggiungere che sistemi del genere richiedono comunque investimenti di un certo peso economico.