C - Si Energia

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C - Si Energia

Progettazione e valutazione economica di
impianti per processi produttivi e
climatizzazione in Sicilia
Giuseppe Lombardo
11 Feb 2014
Grande Hotel delle Terme
Termini Imerese
Consiglio Nazionale delle Ricerche,
DTA
www.vigor-geotermia.it
Attività impiantistiche
¾ Valorizzare le risorse geotermiche nelle 4 Regioni di
Convergenza tenendo conto del fabbisogno termico
e del tessuto produttivo locale
¾ Soluzioni impiantistiche per:
– produzione di energia elettrica;
– climatizzare edifici pubblici;
– fornire calore a processi produttivi
¾ Attività progettuali:
–
–
–
–
Geologia (individuazione e valutazione risorsa geotermica)
Fisica tecnica (analisi dei fabbisogni energetici)
Ingegneria (progettazione impianti)
Economia (valutazione della fattibilità tecnica/economica)
DTA
Flusso di lavoro Interdisciplinare
in ogni zona di intervento
Individuare e valutare
della risorsa geotermica
Analizzare fabbisogno
energetico
Individuare impianto
Simulare funzionamento tecnico/economico e
studiare impatto ambientale e norme autorizzative
Soluzione impiantistica più idonea per
valorizzare il tessuto produttivo locale
con la risorsa geotermica presente
DTA
Tipologie di impianti tipici di
utilizzo della risorsa geotermica
Risorsa con
T > 120°C
Scambiatore di calore
e/o
Sistema ORC/Binario
Risorsa con
60 < T < 120°C
e/o
Pompa di calore
(circuito aperto)
Risorsa con
20 < T < 60°C
e/o
Pompa di calore
(circuito aperto/chiuso)
DTA
Le 8 aree di intervento nella 4 Regioni
di convergenza
¾ Impianti per processi produttivi
– Terme di Caronte: depurazione di acque reflue (processo di
essiccamento fanghi) ( Tgeo = 17°C, Tprocesso = 80°C (pompa di calore +
motore co-generazione)
– Santa Cesarea: produzione di pasta, processo di essiccamento a bassa
temperatura (T = Tgeo = 30°C , Tprocesso = 50°C) e ad alta temperatura
(Tgeo = 85°C, Tprocesso=120°C) (pompa di calore)
¾ Climatizzazione edifici pubblici tramite pompe di calore
geotermiche e/o scambiatore diretto
– Rende (Tgeo = 17°C circuito chiuso + pdc) e Bari (Tgeo = 20°C, circuito
aperto + pdc), Mondragone (Tgeo = 30 - 50°C circuito aperto + sc e/o
pdc)
¾ Impianto per riscaldamento piscina termale
– Mondragone (Tgeo = 33°C scambiatore di calore)
¾ Impianto pilota per produzione di energia elettrica
– Guardia Lombardi (Tgeo = 130°C impianto ibrido )
DTA
Impianti proposti per la Sicilia
¾ Impianti per processo produttivo:
– Termini Imerese: dissalatore di acqua di mare a processo
evaporativo MED (Tgeo = 40°C, Tprocesso = 75°C (sc +
pompa di calore);
¾ Impianto di teleriscaldamento e/o utilizzo del calore in
cascata per processi produttivi
– Mazara del Vallo ( Tgeo = 92°C sc + pompa di calore)
DTA
Impianti geotermici
per alimentare processi produttivi
¾ Proposta progettuale
– Impianto geotermico per
alimentare processo di
dissalazione di acqua di mare;
– zona: Termini Imerese
¾ Processo di dissalazione:
– Processo termico evaporativo a
multipli effetti (MED):
produce circa il 10% dell’acqua
dissalata al mondo ma è il più
utilizzato per essere alimentato
da FER
acqua per utilizzi civili,
agricoli ed industriali
DTA
Principio di funzionamento del
processo evaporativo MEDAcqua di mare
acqua di mare pre‐riscaldata in uscita T = 36°
Acqua di mare Acqua di mare
in ingresso
T = 27°C
Vapore
Sorgente di calore Condensato
Acqua distillata
evaporazione
DTA
condensazione
successive Proposta impiantistica
acqua di
mare a 27°
& = 750 t/h
m
Dissalatore MED
a vapore a 75°a 0.4 bar
Tout = 80°C
& = 1500 t/h
m
Pdc
& = 65 t/h
m
Scambiatore di calore T = 40°C
(1.5 MWt) per fluido geotermico
Tin = 34°C
& = 240 t/h
m
acqua di
mare a 27°
& = 430 t/h
m
Acqua Distillata
& = 90 t/h
m
Salamoia
& = 230 t/h
m
& = 180 t/h
Scambiatore di calore m
(4.3 MWt) T = 36°C
per acqua di mare
Ottimizzazione del recupero termico del processo:
1. Estrazione calore dal fluido geotermico
2. Estrazione calore dall’acqua di mare non distillata
DTA
Proposta impiantistica (2)
Tcond = 80°C
COP = 3.0
Pevap = 5.8 KWt
Tevap = 34°C
Pmare = 4.3 KWt
Pgeo = 1.5 KWt
T geo= 40°C
Tmare = 36°C
Tin = 75°C
Pin = 8720 KWt
DTA
Proposta impiantistica (3)
Impianto a pompa di calore per alimentare
processo MED
¾ Pompa di calore tailor made:
–
–
–
–
Tin (sorgente fredda): 34 °C;
Tout (sorgente calda): 80°C;
Potenza termica fornita: 8720 KW;
COP: 3.0;
¾ Impianto MED (Officine Reggiane - Demont):
–
–
–
–
Produzione acqua distillata: 90 t/h
T vapore : 75°C a pressione 0.4 bar;
Potenza termica processo: 8720 KW
ore di funzionamento: 8000 h/anno;
DTA
Fabbisogno energetico
Fabbisogno termico = 69.768 MWh
100% pompa di calore
Fabbisogni elettrici = 25.096
93% da pompa di calore
7 % altri componenti
Risparmio energetico rispetto ad
sistema convenzionale
DTA
35 %
Costo impianto
¾Costo investimento stimato in
– Dissalatore
– Pompa di calore da 8.720 KW:
– Circuito geotermico
14.764 K€
– Opera di presa/scarico acqua di mare
7.500 K€
3.900 K€
250 K€
150 K€
– Componentistica meccanica
elettrica, elettronica:
– Opere civili:
– Attività di ingegneria:
1.170 K€
700 K€
1.094 K€
Differenza rispetto impianto convenzionale di Consiglio Nazionale delle Ricerche,
DTA
4.736 K€
Redditività della soluzione (1)
¾Ricavi:
– Certificati bianchi: 221K€/anno (7,47 €/MWh
per cinque anni);
– Mancato acquisto gas per caldaia
(46,88€/MWh): 3.634 K€
¾Costi:
– Acquisto energia elettrica dalla rete
(135€/MWh) : 2978 K€
MOL = 877 K€
DTA
Redditività della soluzione (2)
6'000'000
PRA: 6.96 anni
VAN: 5.275.000 €
TIR: 15.9%
4'000'000
2'000'000
K€
0
-2'000'000
-4'000'000
-6'000'000
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
22
23
24
25
Flusso di cassa attualizzato ‐4'736'0 ‐3'900'5 ‐3'104'9 ‐2'347'1 ‐1'625'5 ‐938'206 ‐448'547 17'795 461'930 884'916 1'287'76 1'671'42 2'036'81 2'384'80 2'716'22 3'031'86 3'332'47 3'618'76 3'891'42 4'151'10 4'398'41 4'633'94 4'858'26 5'071'90 5'275'36
Anni
DTA
Costo a m3 di acqua
¾ Produzione = 720.000 m3/anno
¾ Fabbisogno elettrico PdC = 25.000 MWh/anno
¾ Consumo elettricità = 34 KWh/m3 (costo
elettricità di 135 €/MWh)
Costo effettivo a m3 = 4.6 €
se fabbisogno elettrico fosse = 10.000 MWh/anno
costo a m3 = 2 euro
DTA
Impianto di Teleriscaldamento (TLR)
Mazara del Vallo (TP)
Comune costiero di 50.000 ab.
Estensione di 275 Km2
Densità media ab.: 190 ab/Km2
DTA
Impianto di teleriscaldamento (2)
¾Localizzazione:
Pozzo ipotizzato di prelievo
del fluido geotermico
per la rete TLR (produzione):
T = 92°C @ 2.0 Km
Q = 110 t/h
Pozzo ipotizzato di reinizione
del fluido geotermico
per la rete TLR:
T = 35-45°C @ 1.5 Km
Q = 110 t/h
DTA
Impianto di teleriscaldamento (3)
Mezzeria dorsale
rete di TLR
Centrale
Geotermica
Max fabbisogno termico
900.000 mc
DTA
Due possibili soluzioni di impianto di TLR
1. Impianto di TLR con:
─ produzione centralizzata di energia termica
(acqua calda di 90°C in mandata );
─ produzione decentrata di acqua gelida (acqua a
6°C in mandata) presso le utenze;
2. Impianto di TLR con:
─ produzione centralizzata sia di energia termica
che energia frigorifera
rete di teleraffreddamento risulta molto onerosa economicamente
e tecnicamente poco praticabile rispetto ad una sola rete
di Teleriscaldamento
studio solo del CASO 1
DTA
CASO 1
¾ Un impianto di TLR con produzione di acqua
calda in centrale geotermica
– Inverno: fornitura di acqua calda a 90°C e ritorno in
rete di 65°C. Ciò permette di riscaldare ambienti e
fornire acs.
– Estate: acqua calda a 90°C alimenterà gruppi
frigoriferi ad assorbimento decentrati nelle unità
abitative che forniranno acqua gelida a 6°C per la
climatizzazione di ambienti. Inoltre la temperatura di
ritorno dagli assorbitori a 78°C permetterà di
produrre in cascata acs con riduzione della
temperatura dell’acqua di ritorno da TLR a 75°C
DTA
Fabbisogno termico utenze:
¾ Fabbisogno termico:
– Volumetria: 936.000 m3
– Potenza termica specifica:
10 W/m3
– Fabbisogno termico specifico
globale (risc/acs):
14 kWh/m3anno
Pt = 9.400 KW
Et = 13.260 MWh/anno
¾ Fabbisogno frigorifero:
– Al netto dei fabbisogni termici per acs
– ηf = 0.7
DTA
Pt = 5.025 KW
Ef = 12.835 MWh/anno
(Et = 18.340 MWh/anno)
Dati di progetto
¾ Sistema di TLR
– Volumetria allacciata in rete:
936.000 m3
– Potenza termica del sistema:
9.400 KW
– Perdite di potenza in rete:
300 KW
– Energia termica per acqua calda: 13.260 KWh/a
– Energia termica per acqua gelida: 18.340 KWh/a
– Perdite di calore in rete:
2.500 KWh/a
Pt = 9.700 KW
Et = 34.100 KWh/anno
DTA
Caratteristiche principali impianto
¾ Centrale Geotermica
– n. 1 scambiatore di calore in titanio a piastre alettate
per il recupero diretto dell’energia termica del fluido
endogeno di potenzialità 3.200 KWt per produzione di
acqua calda a 90°C;
– n.1 scambiatore di calore a piastre intermedio da
4.500 KWt in serie con pompa di calore;
– n.1 pompa di calore acqua-acqua a compressione
centrifugo di tipo tailor made di potenzialità 6.500 KWt
per produzione di acqua calda a 90°C
Potenza termica sottratta al fluido geotermico: 7.700 KW
DTA
Layout principale dell’impianto - Inverno
n.1 scambiatore n.1 scambiatore
diretto di calore di calore serie pdc
Tmandata ≈ 92°C
Tritorno ≈ 65°C
n.1 pdc tailor made
Pe = 2.000 KW
Pt = 4.500 KW
T ≈ 66°C
Pt = 3.200 KW
COP = 3,25
Tprelievo ≈ 92°C
Treiniezione ≈ 32°C
DTA
Caratteristiche impianto lato utenza
¾Previste sottocentrali lato utenze per:
– Riscaldamento ambienti;
– Riscaldamento ambienti e produzione di
acs;
– Produzione di acqua gelida per
raffrescamento ambienti e produzione di
acs
DTA
Layout principale dell’impianto – Utenze (1)
Riscaldamento ambienti
e produzione di acs
RISCALDAMENTO
ACS
DTA
Layout principale dell’impianto – Utenze (2)
Produzione acqua gelida
per raffrescamento ambienti
e produzione di acs
ACS
ACQUA GELIDA
DTA
Simulazione tecnica impianto proposto
¾Per individuare se le ipotesi progettuali
soddisfano i fabbisogni energetici
individuati si effettuano simulazioni di
funzionamento dell’impianto
valutare i quantitativi energetici prodotti
valutare impatto ambientale
valutare risparmio energetico
valutare redditività economica
DTA
Risultati principali della simulazione
¾ Caso (1)
– Inverno:
Inverno
• Energia termica prodotta: 11.988 MWh/anno ( 70.8%
•
prodotta da scambiatore diretto)
Energia elettrica utilizzata per pdc: 1.369 MWh/anno
– Estate:
• Energia termica prodotta: 22.096 MWh/anno (47% prodotta da
•
pompa da scambiatore diretto)
Energia elettrica utilizzata per pdc: 4.161 MWh/anno
– Emissioni evitate di CO2 della centrale geotermica: 100%
52%
risparmio energetico del
rispetto impianto convenzionale
DTA
Investimento previsto
¾ Costo di investimento stimato in:
– Perforazione e messa in funzione n.2 pozzi
a profondità di 1.3 Km cad.:
12.685.000 €
– Centrale di TLR:
2.500.000 €
3.850.000 €
– Sistema di distribuzione:
5.484.800 €
– Attività di progettazione:
850.200 €
• Pompa di calore tailor made
• N.2 scambiatori di calore ed altra componentistica
• Sistema trattamento acqua rete TLR
• Impiantistica idraulica
• Impiantistica elettrica
• Impiantistica elettronica (sistemi di controllo/allarme e
supervisione)
• Opere civili
• Rete di TLR (movimenti terra, tubazioni, dorsali di
alimentazione, allacciamenti)
• Sottocentrali termiche
• Sottocentrali termiche e frigorifere
DTA
Redditività delle soluzioni impiantistica
¾ Ricavi:
– Cessione di energia termica all’utenza per riscaldamento
ambiente e produzione acs (13.260MWh/anno): 1.190K€/anno
– Cessione di energia termica all’utenza per alimentazione frigo ad
assorbimento (18.340MWh/anno): 930K€/anno
– Certificati bianchi (13.900MWh/anno a 8,6€/MWh): 191K€ solo
per cinque anni
¾ Costi:
– Acquisto energia elettrica dalla rete: 832K€/anno
– Manutenzione (apparecchiature di centrale e rete TLR):
150K€/anno
– Personale di gestione: 150K€/anno;
MOL = 1.110 K€
DTA
Redditività della soluzione impiantistica (2)
2'000
0
-2'000
-4'000
K€ -6'000
-8'000
PRA: 19.8 anni
VAN: 906 K€
TIR: 5.80%
-10'000
-12'000
-14'000
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
22
23
24
25
Flusso di cassa attualizzato ‐2'68 ‐12'2 ‐11'2 ‐10'2 ‐9'38 ‐8'53 ‐7'72 ‐7'02 ‐6'35 ‐5'71 ‐5'10 ‐4'52 ‐3'97 ‐3'45 ‐2'95 ‐2'47 ‐2'02 ‐1'59 ‐1'18 ‐789 ‐416 ‐61 277 600 906
Anni
DTA
Ipotesi di contributi pubblici a fondo perduto
¾Analisi di sensitività al variare del costo di
investimento nel range 0%, -40%.
PRA: 19.8 anni
VAN: 906 K€
TIR: 5.80%
DTA
PRA: 9.30 anni
VAN: +5.880 K€
TIR: 12.50%
Proposte di utilizzo diretto
¾ Per valorizzare appieno la risorsa geotermica presente a
Mazara del Vallo è opportuno utilizzare la risorsa
geotermica anche per processi produttivi che richiedono
calore a bassa-media entalpia (T<100°C).
¾ Impianto di TLR in cui abbiniamo in cascata:
–
–
–
–
riscaldamento di una piscina
processo di produzione della pasta a bassa temperatura
dissalatore acqua di mare
sistema di essiccamento di fanghi per un impianto di
depurazione.
DTA
Proposta TLR + PROCESSO PASTA BASSA T
DTA
Proposta TLR + DISSALAZIONE
DTA
Proposta TLR + ESSICCATORE FANGHI
DTA
Proposta TLR + PISCINA
DTA
GRAZIE
DTA
Calore nei processi produttivi
SETTORE
AGROTECNICO E INDUSTRIE ASSOCIATE
TIPO DI INTERVENTO
PRINCIPALI APPLICAZIONE
RANGE DI
TEMPERATURA
PRODUZIONE
Incremento delle colture (vegetali, animali): serre, acquacoltura, etc.
20°C<T<60°C
LAVORAZIONE
Lavorazione e trasformazione dei prodotti vegetali ed animali
20°C<T<100°C
CONSERVAZIONE
Lavaggio, cottura, pastorizzazione, asciugatura, essicazione, refrigerazione, conservazione prodotti deperibili
60°C<T<100°C
SERVIZI
Sterilizzazione suoli agricoli, trattamento acque reflue di scarto dei processi, biodegradazione dei rifiuti, essiccamento, inscatolamento e sterilizzazione prodotti
60°C<T<140°C
ENERGETICHE
Recupero secondario di idrocarburi, produzione alcol (metanolo, etanolo), biogas (digestione del fango), 60°C<T<100°C
CHIMICHE ED ALTRE
Industria della carta, industria del tessile, farmaceutica, prodotti per l'edilizia, ospedali, industrie dell'elettronica, industria di imballaggi di plastica, distillazione, trattamento acque reflue, desalinizzazione
60°C<T<120°C
MEDICALE
Usi terapeutici (fanghi, bagni, saune)
20°C<T<40°C
RICREATIVO
Piscine termali, laghetti caldi
20°C<T<40°C
INDUSTRIE NON ALIMENTARI
TERMALE
DTA

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