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Sperimentazione di sistemi di co-trigenerazione

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Sperimentazione di sistemi di co-trigenerazione

Il presente Rapporto descrive le attività di Ricerca di Sistema svolte nell’ambito dell’Area USI FINALI, relativamente al Progetto 1, “Sistemi di Mini-Microgenerazione elettrica, sistemi Co-Trigenerativi e sistemi di accumulo” Il capitolo 2 (a cura di V. Brignoli) riguarda l’attività sperimentale sull’impianto ORC da 10 kWe alimentato a biomassa. Il cogeneratore ORC a biomassa è stato utilizzato in modo continuo al fine di indagare in dettaglio i vari aspetti del funzionamento del sistema caldaia – cogeneratore e permettere di definire meglio i flussi di energia del sistema. A tal fine si è provveduto ad ampliare ulteriormente il sistema di acquisizione dati e di gestione del sistema, introducendo anche l’osservazione visiva mediante webcam. Le sperimentazioni hanno riguardato le principali relazioni di regolazione del sistema, quali ad esempio: la stabilità di regolazione della caldaia, l’effetto del vuoto nel condensatore sulla potenza erogata dal cogeneratore e quello della temperatura dell’olio di caldaia sul regime del cogeneratore. Le prove sono state effettuate in condizioni controllate al fine di evidenziare l’influenza di un singolo parametro sulle dinamiche del sistema. L’impianto ha superato di poco le condizioni nominali di progetto con una potenza netta massima misurata di 10,2 kWe e una potenza termica resa della caldaia superiore a 130 kWth. Le analisi hanno mostrato un comportamento coerente con le aspettative sebbene il rendimento netto elettrico del solo cogeneratore, pari al 8-9% misurato in condizioni ottimali sia risultato un po’ inferiore alle attese. Una nuova serie di misure elettriche hanno confermato che i consumi parassiti della caldaia a olio sono elevati se rapportati alla produzione del cogeneratore e risultano penalizzanti se contabilizzati nel calcolo del rendimento elettrico. Considerazioni di tipo impiantistico sul numero dei servizi elettrici necessari alla caldaia a olio portano a ritenere che anche qualora si riuscisse ad ottimizzare al meglio l’efficienza del circuito caldaia, i relativi consumi parassiti elettrici resterebbe comunque rilevanti. Il rendimento di cogenerazione complessivo è risultato invece buono, compreso tra 80 e 83 %. Per quanto riguarda la regolazione del sistema si è registrata la completa stabilità del cogeneratore ORC mentre a riguardo della caldaia è stato evidenziato che per evitare il pendolarismo delle temperature è necessario di volta in volta, nella fase di transiente iniziale, intervenire con una regolazione manuale. Questa esigenza deriva dalle caratteristiche del software di regolazione di caldaia che dovrebbe essere adeguatamente modificato. Nel complesso il cogeneratore ha mostrato funzionalità e semplicità di esercizio tipiche dei sistemi ORC. Resta tuttavia valida l’osservazione che, a questa scala di potenza, i consumi parassiti del boiler a olio diatermico risultano penalizzanti. Il cogeneratore ORC HER10 risulterebbe meglio impiegato qualora potesse utilizzare una sorgente di calore a 250 °C che richieda bassi consumi parassiti, come ad esempio accade nel caso delle sorgenti geotermiche entalpiche o in taluni processi industriali. L’attività sperimentale sul sistema trigenerativo con microturbina a gas, descritta nel capitolo 3 (a cura di F. Armanasco, M. Marzoli, O. Perego), ha riguardato in prima analisi l’esercizio dell’impianto in assetto cogenerativo e successivamente l’esercizio e la caratterizzazione di un frigorifero ad assorbimento accoppiato alla microturbina a gas. In entrambi i casi è stato previsto l’esercizio dell’impianto a carichi parziali e variabili nel tempo, valutando l’efficienza del sistema ai vari regimi, per verificarne la capacità a seguire l’andamento dei fabbisogni energetici dell’utenza; queste condizioni d’impiego sono infatti riscontrabili in ambito residenziale e terziario. L’attività sperimentale in assetto cogenerativo è stata condotta attraverso un esercizio continuativo d’impianto che ha permesso di valutare l’efficienza ma anche l’affidabilità della macchina. Inoltre il sistema è stato portato più volte oltre le condizioni limite: la macchina è in grado di elaborare una potenza elettrica che va da 50 kW a 105 kW in funzionamento continuo, fornendo nel contempo una potenza termica (nel nostro caso sotto forma di acqua calda) che va da 90 kW a 167 kW (condizioni ISO). Infatti, operando sul sistema (attraverso il dissipatore termico), sono state create delle condizioni energetiche fuori dalla curva di funzionamento, fino ad esempio ad imporre un assorbimento di calore da parte

dell’utenza superiore a 167 kW TH , per verificare i sistemi di sicurezza e le reali condizioni di funzionamento e limiti della microturbina. I risultati ottenuti mettono in evidenza come, grazie alle sue caratteristiche inerzie termiche e ad una adeguata flessibilità, la microturbina sia in grado: null di adeguare il proprio regime di funzionamento alle variazioni di richiesta da parte dell’utenza, anche allontanandosi molto dai valori di set point impostati; null di operare autonomamente anche fuori dalle condizioni limite senza spegnersi, sebbene per un breve periodo (dell’ordine di pochi minuti) e comunque in funzione di quanto le condizioni limite sono oltrepassate; In definitiva si è verificato un ottimo comportamento della macchina in assetto cogenerativo, anche nell’esercizio prolungato, con dei buoni rendimenti anche ai carichi parziali. L’attività sperimentale in assetto trigenerativo ha evidenziato invece diversi problemi di continuità e stabilità di funzionamento, dovuti all’accoppiamento tra la microturbina a gas ed il frigorifero ad assorbimento: null il frigorifero richiede in ingresso 150 kW termici, che la microturbina è nominalmente in grado di fornire (il limite è 167 kW termici); tuttavia il frigorifero per operare in condizioni nominali richiede questo apporto termico a portate che lo scambiatore fumi/acqua della microturbina non è in grado di elaborare (per eccessive perdite di carico) null il frigorifero non ha un sistema di regolazione sufficientemente flessibile, per cui risulta difficile parzializzare la sua produzione frigorifera in funzione di un apporto termico inferiore da parte della microturbina Il risultato è che per esercire il sistema in queste configurazioni impiantistiche è necessaria la presenza costante di un operatore che gestisca l’impianto manualmente, modificando portate e temperature del circuito termico in ingresso al frigorifero, per consentirne un funzionamento continuativo, sebbene molto instabile e discontinuo. Tali problemi sono comunque risolvibili attraverso alcune modifiche impiantistiche. Il frigorifero ad assorbimento ha comunque mostrato di poter funzionare anche abbondantemente al di sotto delle condizioni nominali, con portate di acqua di alimento dimezzate. Sotto queste condizioni sono stati misurati valori di efficienza frigorifera superiori a 0,4 considerando che il valore nominale riportato sulle specifiche tecniche della macchina è 0,7.

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