Recupero e utilizzazione del freddo
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Recupero e utilizzazione del freddo
73-77_TER_lug_dispenza2:TER_apr_gaetani 3-07-2008 8:34 Pagina 73 recupero energetico di C. Dispenza, V. La Rocca, G. Panno, G. Dispenza Recupero e utilizzazione del freddo nella rigassificazione del GNL In un precedente articolo gli Autori propongono un impianto di rigassificazione modulare del Gas Natu- I l recupero del freddo disponibile nel processo di rigassificazione del GNL è di grande interesse. Il freddo rilasciato nel mare adiacente all’area del Terminale di rigassificazione, se si usano batterie Open Rack, arreca infatti un notevole impatto ambientale. Una opzione possibile [1] [2] è la produzione di elettrica utilizzando il recupero del freddo disponibile [11] [12] nel processo di rigassificazione in impianti modulari CHP. Tale tipo di opzione è stata discussa [2] in un precedente articolo degli Autori. Sulla possibilità di recupero del freddo disponibile nel processo di rigassificazione del GNL, negli anni passati, sono stati svolti alcuni studi in Francia [3]. Gli studi riguardano opzioni impiantistiche per la produzione di Azoto, Ossigeno, Argon ecc. ed altre applicazioni industriali. Le possibilità di recupero “dell’energia del freddo” negli impianti ha però un forte vincolo con il sito in cui il freddo è disponibile. Gli impianti di utilizzazione debbono, infatti, essere attigui all’impianto di rigassificazione. Si potrebbe pensare ad un flusso dei prodotti commerciali e dei beni avviati a bassa temperatura verso gli utilizzatori, soprattutto col trasporto su gomma. Ma il più forte vincolo è, certo, rappresentato dalla necessità della presenza degli utilizzatori nelle adiacenze del sito di rigassificazione. Debbono, poi, rispettarsi delle complesse e stringenti regolamentazioni per ottenere le necessarie garanzie ai fini della sicurezza [9]. La disponibilità del freddo nel sito, potrebbe, comunque, favorire la nascita di insediamenti caratterizzati dalla necessità di freddo (impianti afferenti al settore terziario come Ipermercati, catene che servono Società di Catering ecc.). Alcuni impianti del genere sono stati proposti in Giappone per le così dette “Città del futuro”. Ma occorre risolvere ancora molti problemi, perché i terminali di rigassificazione debbono avere attorno delle zone di sicurezza e non si hanno fluidi frigovettori adatti al trasferimento del freddo dagli impianti di rigassificazione alle utenze finali. Si discute oggi molto, ad esempio, del possibile uso dei nanofluidi1. Occorre, dunque, sperare nell’innovazione tecnologica. Le applicazioni consuete riguardano, pertanto, dei processi industriali che vengono integrati nel medesimo processo di rigassificazione (produzione di ossigeno ed azoto, produzione di CO2 liquida e ghiaccio secco). Al DREAM si è anche affrontato uno studio di fattibilità sulla produzione di acqua dissalata per congelamento con un impianto innovativo basato su “ice slurry” che operano con nano particelle trascinate dallo stream di processo. Le applicazioni consuete, attualmente, riguardano, pertanto, dei processi industriali che vengono integrati nel medesimo processo di rigassificazione. Ma, considerato l’atteso sviluppo del trading del GNL nel Mondo, la ricerca su sistemi che consentano l’utilizzazione del freddo in siti distanti dai Terminali di rigassificazione è di rilevante ed attuale interesse. L’articolo affronta tali problemi sia per le possibili applicazioni che possono aversi all’interno del sito del Terminale, sia per alcune possibili applicazioni a distanza (1- 3 km). Alcune applicazioni possono riguardare impianti per la surgelazione di alimenti, per la loro conservazione in grossi magazzini frigoriferi, per il condizionamento di grossi complessi commerciali (come: Supermercati ed ipermercati) e per la fornitura del freddo in tali com- Prof. Celidonio Dispenza, prof. Vincenzo La Rocca, prof. Giuseppe Panno, DREAM, 1 Università di Palermo; ing. Giorgio Dispenza, ITAE-CNR Nicola Giordano, Messina. La Termotecnica • Luglio/Agosto 2008 rale Liquefatto (GNL) che opera con un ciclo di cogenerazione combinato (CHP, Combined Heat and Power), per la produzione di energia elettrica utilizzando il recupero del freddo disponibile nel processo di rigassificazione. L’unità è modulare ed ha una capacità media di rigassificazione di 2 109 Stm3/anno. Questo articolo affronta, invece, il problema dell’uso del freddo recuperato tanto all’interno del sito del Terminale di rigassificazione che in siti distanti da esso. È proposta un’altra unità CHP modulare di rigassificazione con capacità media di rigassificazione di 2 109 Stm3/anno. L’opzione proposta, in ricerche svolte al DREAM dell’Università di Palermo, prevede l’uso dell’anidride carbonica come fluido secondario per il trasporto del freddo a distanza dal sito del terminale di rigassificazione. L’analisi termodinamica e tecnico-economica effettuata con simulazioni, che hanno fatto uso di software sviluppato dagli Autori, ha dimostrato che le iniziative sono fattibili e che sono vantaggiose. Tenendo conto dei molti progetti nel Mondo di siti, per la rigassificazione a terra del GNL, una proposta possibile è rappresentata dal ricorso ad unità modulari aventi una capacità di rigassificazione di 2 109 Stm3/anno. I moduli possono essere accoppiati agli altri proposti per la generazione di energia elettrica, essendo le capacità dei Terminali di rigassificazione in progetto o in costruzione nel Mondo comprese nel range (8-12) 109 Stm3/anno. Che però non sono adatti per la specifica applicazione nei siti di rigassificazione del GNL per il trasporto del freddo a distanza. 73 73-77_TER_lug_dispenza2:TER_apr_gaetani 3-07-2008 8:34 Pagina 74 recupero energetico plessi. Nelle ricerche del DREAM2 si propone l’uso come fluido secondario della CO2 che viene inviata alle utenze in fase liquida e torna nell’area del Terminale in fase aeriforme, il fluido viene liquefatto col freddo disponibile nella rigassificazione del GNL. L’analisi di fattibilità conferma la ragionevole validità delle opzioni proposte. Recupero del freddo nel processo di rigassificazione del GNL La Figura 1 mostra lo schema di un impianto modulare di rigassificazione del GNL per il recupero del freddo, proposto dagli Autori in ricerche del DREAM. Esso ha una capacità di rigassificazione di 2 109 Stm3/anno. Con l’impianto proposto è possibile disporre di freddo: per applicazioni proprie della criogenia, per applicazioni industriali a molto basse, basse e più alte temperature, per la surgelazione e per la refrigerazione. L’impianto è modulare ed ha una capacità di rigassifica- zione di 2 109 Stm3/anno, operando 24 ore al giorno per 270 giorni3. Un impianto di tal genere richiede al suo interno l’uso di un ciclo motore che opera con un adatto fluido di lavoro come Etano o Etilene, ad esempio. Il ciclo produce 3 MW di potenza elettrica che viene usata per i servizi del Terminale di rigassificazione. Nella Fig. 1 è mostrato il processo che opera con Etano. Il freddo è disponibile per applicazioni industriali a basse temperature (-80 °C/ -90 °C÷-40 °C) negli scambiatori CU, CU1 ed a più alte temperature (da -35°C sino a 0 °C) nei Kettle Evaporators KE1, KE2, KE3 e nello scambiatore CU2. Le batterie Open Rack hanno lo scopo di chiudere il bilancio energetico del ciclo [1]. I principali criteri di progetto seguiti nelle ricerche sono i seguenti: - si ha bisogno di disporre di freddo a temperature più alte di quelle proprie delle applicazioni criogeniche e a molto basse temperature, ciò al fine di poter trasferire il freddo a distanza o di utilizzarlo in loco a mezzo di fluidi secondari disponibili commercialmente; FIGURA 1 - Impianto modulare di rigassificazione del GNL per il recupero del freddo [1] 2 3 4 Ricerche svolte al DREAM dell’Università di Palermo nell’ambito del Programma “ORPA059444: “Innovazione tecnologica di sistemi energetici e loro componenti; metodologie di progettazione, verifica e simulazione”. 270 giorni corrispondono ad una stagione di riscaldamento quando si ha una richiesta maggiore. In un tipico moderno Terminale di rigassificazione della capacità di 8 109 Stm3/anno si possono avere 4 impianti CHP modulari. Il periodo di 270 giorni è scelto prudenzialmente; data la crescente domanda di gas per le centrali elettriche il fattore di utilizzazione può crescere. Ma vi sarà molta concorrenza, se si avranno molti terminali! Tenendo presente che il fluido di lavoro cambia di fase nella sua evoluzione nel ciclo. 74 - per il criterio precedente si ha la necessità di avere, quindi, per esigenze di affidabilità e flessibilità del processo, un impianto CHP adatto che riceve calore dai fluidi frigovettori secondari che trasferiscono il freddo alle utenze finali a distanza dal sito del terminale; - inoltre occorre disporre di freddo per usi in processi che avvengono nell’area del terminale alle più basse temperature (ad esempio: liquefazione dell’aria per la produzione di Azoto, Ossigeno, Argon, altre applicazioni industriali). I principali parametri operativi del ciclo termodinamico di riferimento per l’impianto CHP (pressioni e temperature) debbono essere scelti con i seguenti criteri4: - il livello di pressione inferiore deve essere sufficientemente al di sopra di quella atmosferica per evitare infiltrazioni d’aria esterna: nell’impianto si è scelta una pressione di 1.3 bar; - il livello di pressione superiore deve avere un valore che consenta di operare a temperature vicine ai -40 °C, a seconda del fluido di lavoro scelto. La Termotecnica • Luglio/Agosto 2008 73-77_TER_lug_dispenza2:TER_apr_gaetani 3-07-2008 8:34 Pagina 75 recupero energetico Ad esempio, per l’Etano e l’Etilene si ha rispettivamente5: - Etano: pressione liv. cond. 1,3 bar (tsat=-83,85 °C), liv. evap. 7,8 bar (tsat=-39,91 °C), - Etilene: liv. cond. 1,3 bar (tsat=-99,45 °C), liv. evap.1 4,0 bar (tsat=41,22 °C). La differenza di temperatura al pinch tra la temperatura del fluido di lavoro nel condensatore ed il GNL (all’uscita dall’apparecchio) è stata scelta in entrambi i casi pari a 10 K. Ciclo CHP che opera con l’Etano Il processo è rappresentato nella Fig. 1. Il GNL da rigassificare entra nel condensatore dell’Etano a 113 K (-160 °C) ed all’uscita raggiunge la temperatura di 179 K (-94 °C). Il processo di rigassificazione avviene a pressioni ipercritiche [1] [2]. Il GNL va poi, attraversandoli in serie, negli scambiatori CU1 e CU2, esso entra alla temperatura di 179 K (94 °C) ed esce alla temperatura di 274 K (1 °C). Il freddo rilasciato dal GNL nel condensatore dell’Etano corrisponde ad una potenza di 18,43 MW, la potenza termica rilasciata come freddo dal GNL negli scambiatori CU1 e CU2 è rispettivamente 9,5 MW e 16,1 MW. Nel preriscaldatori dell’Etano il freddo è rilasciato a temperature comprese nel range -80/-35 °C ed è adatto per usi industriali; il rating di potenza dell’apparecchio è di 4 MW. Gli scambiatori CU1, CU2, CU ed il condensatore dell’Etano sono a fascio tubiero del tipo a spirale (spiralwound heat exchangers) il GNL o l’Etano li attraversano dal lato tubi. La potenza termica rilasciata come freddo nei Kettle Evaporators ha rispettivamente i seguenti valori: 3,5 MW in KE1, 9,2 MW in KE2 e 2,1 MW in KE3. La potenza elettrica generata dal ciclo CHP operante con l’Etano è 3 MW ed il rendimento (alle busbar) è un 13,5%. Vi sono tre sezioni di batterie Open Rack. Il loro intervento è richiesto nelle operazioni in continuo del rigassificatore del GNL, quando il duty del freddo non è sufficiente a coprire le esigenze del processo di rigassificazione (calore ceduto da CU, CU1, CU2, KE1, KE2, KE3). FIGURA 2 - Sistema per il trasferimento e l’utilizzazione del freddo nel cluster di industrie agro-alimentari Uso del freddo dentro l’area del Terminale di rigassificazione Sulla possibilità di recupero del freddo disponibile nel processo di rigassificazione del GNL, negli anni passati, sono stati svolti alcuni studi in Francia [3]. Gli studi riguardano opzioni impiantistiche per la produzione di Azoto, Ossigeno, Argon etc. ed altre applicazioni industriali. Il freddo disponibile nel processo di rigassificazione si può sfruttare alle più basse temperature per ridurre i fabbisogni energetici per la liquefazione dell’aria per ottenere: Azoto, Ossigeno, Argon. Si può procedere alla liquefazione della CO2 ed alla produzione di CO2 allo stato solido (ghiaccio secco). Tra le applicazioni del freddo vi è pure la produzione di acqua dissalata. Ma, le applicazioni del freddo alle più basse temperature possono dar luogo ad altre interessanti opzioni impiantistiche [7]. Uso del freddo al di fuori dell’area del Terminale di rigassificazione Le utenze finali ricadenti in siti discosti dal Terminal di rigassificazione del GNL (1-3 km), richiedono l’uso di una rete di trasporto del freddo. I problemi che insorgono sono complessi perché, come osserva Kruse [4], a parte il ben noto cloruro di calcio, gli altri fluidi secondari sono poco adatti per le concrete applicazioni industriali della Tecnica del freddo. Per vari possibili fluidi secondari che vengono usati oggi si conta sullo scambio di calore sensibile e debbono considerarsi gli aspetti relativi 5 Pressioni medie ai livelli di evaporazione e condensazione. La Termotecnica • Luglio/Agosto 2008 FIGURA 3 - Sistema per il trasferimento e l’utilizzazione del freddo in un Ipermercato all’aumento della viscosità alle basse temperature, il pericolo di congelamento, le elevate potenze di pompaggio. Di recente vengono proposte le miscele ice slurries e si comincia a parlare anche di nano-fluidi, ma si tratta di sostanze poco adatte per gli usi di che trattasi. Le ricerche svolte al DREAM portano a considerare come possibili fluidi secondari alcuni idrocarburi o, meglio ancora, l’anidride carbonica. Con tali sostanze si può ben sfruttare il cambio di fase. L’anidride carbonica è il fluido secondario proposto nello studio del DREAM. Nelle ricerche del DREAM, in uno degli studi di fattibilità, si sono esaminati due possibili clusters di utenze dislocati in media a 2-3 km dall’area del Terminal di rigassificazione: un complesso di 10 industrie agroalimentari ove è richiesto il freddo per processi di surgelazione, la richiesta di freddo stimata è di 9 MW ad una temperatura media di -43 °C, ed un grosso Ipermercato per cui la richiesta di freddo stimata è di 7,5 MW (7,0 MW per condizionamento dei locali e 0,5 MW per usi del freddo per le celle frigorifere, per banchi e vetrinette di esposizione ecc., di cui 150 kW 75 73-77_TER_lug_dispenza2:TER_apr_gaetani 3-07-2008 8:34 Pagina 76 recupero energetico a -35 °C e la parte rimanente a -15 °C). Il freddo è trasferito dal sito del Terminal di rigassificazione alle centrali presso le utenze finali con due pipeline in cui passa la CO2: la CO2 è liquefatta nell’impianto di Figura 1 e viene pompata nella pipeline di andata in fase liquida, tale accorgimento consente, ad esempio, per il cluster delle industrie agroalimentari una riduzione della potenza di pompaggio di un 30 volte rispetto al caso del pompaggio della CO2 aeriforme al ritorno. Nella Figura 2 è mostrato uno schema del processo di trasferimento del freddo con le pipeline in cui è convogliata la CO2 e delle utilizzazioni dal Terminale di rigassificazione verso il cluster delle utenze per le industrie agro-alimentari (denominato: Cittadella). Nella Figura 3 è mostrato uno schema del processo di trasferimento del freddo con le pipeline in cui è convogliata la CO2 e delle utilizzazioni dal Terminale di rigassificazione verso il cluster delle utenze per l’Ipermercato. rimento richiede un costo di investimento di 8.949.000,00 euro. L’iniziativa è stata considerata nell’analisi come iniziativa di Project financing (all bond) e per un mutuo di riferimento della durata di 10 anni è stato assunto un tasso di interesse dell’8,00%. Il costo effettivo del capitale (allowed rate of return) è stato assunto come il 3,60%. La vita dell’iniziativa è stata assunta di 25 anni. Gli investimenti sono stati stimati come differenza tra 30.000.000,00 e 8.949.000,00 euro. Gli introiti includono quelli della cessione dell’energia elettrica e del freddo prodotto dall’impianto modulare. Previamente, sono stati determinati nell’analisi i costi dell’energia elettrica prodotta, del freddo prodotto e del gas rigassificato. Tale tipo di analisi considera, ovviamente, gli investimenti complessivi (30.000.000,00 euro). Si riportano, per esigenze di sintesi, solo alcuni risultati dell’analisi per l’impianto che opera con l’Etano. Nella suddivisione del costo di produzione è stata assunta:una incidenza del costo complessivo del 10% per la rigassificazione (gas), del 90% per la produzione del freddo e dell’energia elettrica, suddiviAspetti relativi alla sicurezza dendo, poi, questo ultimo costo in base alla loro rispettiva incidenza nella coproduzione. I costi rispettivi sono quindi i seguenti: 0,04 ceuro/Nm3 Il recupero del freddo nel processo di rigassificazione del GNL per gli usi per il gas, 0,17 ceuro/kWh per il freddo e 0,17 ceuro/kWh per l’energia della Tecnica del freddo pone una grande sfida perché le utenze dovrebelettrica. La Tabella 1 mostra alcuni risultati ottenuti assumendo il prezbero essere dislocate in vicinanza dell’area del Terminal di rigassificazo di cessione dell’energia elettrica in 7,00 ceuro/kWh ed una serie di zione, mentre ciò si verifica di rado. Infatti occorre che siano previste convalori per il prezzo di cessione del freddo. grue distanze di sicurezza delle zone abitate o frequentate dal pubblico Il Tempo di ritorno degli investimenti [8] ricade nel range 2,06-11,71 anni perché i Terminal danno luogo a rischi di notevole entità (pericoli di incenquando il prezzo di cessione del freddo è compreso nel range 3,50-1,00 dio, esplosioni, per il rischio del fenomeno del “pool fire” o per la proceuro/kWh. Quindi i risultati ottenuti mostrano la profittabilità degli babile formazione di nubi di vapori infiammabili) [9]. impianti modulari di rigassificazione proposti. Nell’analisi è stato anche È quindi più facile proporre l’uso di applicazioni industriali dentro l’area ricavato un prezzo di riferimento relativo alla produzione convenzionadel Terminal di rigassificazione [3]. Per le applicazioni in siti discosti le alternativa del freddo lontano dal sito di rigassificazione con un impiandall’area si è visto, invece, che vi sono difficoltà per il trasferimento del to convenzionale basato sull’uso di macchine frigorifere a compressione freddo a distanza verso le utenze finali. Volendo evitare il ricorso a friche usano la CO2 come fluido di lavoro. Il risparmio di energia primaria govettori infiammabili (idrocarburi) può essere una buona scelta la CO2. stimato per la rigassificazione con Nel caso della produzione di energia elettrigli impianti proposti, considerando ca, il processo ha luogo, invece, sempre denGas Energia Prod. Imp. di la riduzione della domanda elettritro l’area del terminale di rigassificazione, ceuro/Stm3 a elettrca Freddo rigassif. ca per produrre il freddo necessasicché i rischi sono sotto controllo. In ogni ceuro/kWh ceuro/kWh T.r.b rio presso le utenze finali è di 35,85 caso, nello stabilire il layout dell’impianto proktep/anno, il reject di freddo a mare posto si deve affrontare l’aspetto della valu0,04 7,00 1,00 11,71 evitato è 336.960,00 MWh/anno. tazione del rischio, dell’affidabilità e della 0,04 7,00 1,50 6,04 Le emissioni evitate di CO2 sono sicurezza in corso d’esercizio. 0,04 7,00 2,00 3,60 80,50 kt/anno. Per il cluster di uten0,04 7,00 2,50 3,07 ze dell’industria agro alimentare Analisi Economica 0,04 7,00 3,00 2,47 (Tabella 2, Cittadella) i costi di inveed Ambientale 0,04 7,00 3,50 2,06 stimento col sistema del Project financing debbono ripagarsi consiNelle ricerche del DREAM si è affrontata Costo di investimento differenziale 21.051.000,00 euro a a 15 °C 760 mmHg - b Tempo di ritorno in anni derando l’iniziativa “all bond”. Gli l’analisi termodinamica, tecnica, economica investimenti per le pipeline della ed ambientale delle iniziative proposte. Si CO2 e di altri oneri per la costrusono eseguite una serie di simulazioni con un TABELLA 1 - Costi unitari usati nell’analisi e tempi di ritorno software preparato dagli Autori. Nelle simuzione delle centraline e delle reti di lazioni si è operato predisponendo l’organizdistribuzione ammontano a 6.670.000,00 Prezzo Cittadella Ipermercato zazione di appropriati scenari del flusso di euro. Per l’Ipermercato i costi di investimenacquisto freddo T. amm. T. amm. cassa, confrontando una serie di alternative to col sistema del Project financing debbono Ceruro/kWh (anni) (anni) per il management dei processi proposti con ripagarsi considerando l’iniziativa “all una opzione basata sull’uso della tecnologia bond” (Tabella 2, Ipermercato). Gli investi1,00 1,89 6,19 delle batterie Open Rack per la rigassificamenti per le pipeline della CO2 e di altri one1,50 2,32 8,15 zione del GNL6. I costi di investimento per ri per la costruzione della centralina e della 2,00 2,98 12,02 rete di distribuzione ammontano a l’impianto modulare di rigassificazione pro2,50 4,17 22,89 2.500.000,00 euro. Si vede allora che i temposto operante con l’Etano o con l’Etilene 3,00 6,94 3,50 20,81 pi di ritorno sono sensibili rispetto al prezzo ammontano a 30.000.000,00 euro. di acquisto del freddo. Ma i temi di ritorno L’impianto proposto ha una capacità di rigassono ragionevoli per prezzi sino a 3,00 ceusificazione di 2.040 MStm3/anno quando TABELLA 2 - Analisi economica: ro/kWh per la Cittadella e sino a 2,00 ceuopera 270 giorni/anno, 24 h al giorno per sistemi di trasferimento e distribuzione ro/kWh per l’Ipermercato. 270 giorni/anno. Il sistema Open Rack di rife- del freddo alle utenze finali 76 La Termotecnica • Luglio/Agosto 2008 73-77_TER_lug_dispenza2:TER_apr_gaetani 3-07-2008 8:34 Pagina 77 recupero energetico Considerazioni conclusive Le possibili applicazioni in impianti che possono utilizzare il freddo disponibile nel processo di rigassificazione del GNL, quivi descritte, è basato sull’uso di unità di rigassificazione modulari con capacità di rigassificazione di 2 109 Stm3/anno (in media: 1/4 della media per un terminale tipico di quelli in progetto o in corso di realizzazione nel Mondo: 8 109 Stm3/anno). I risultati di una ricerca del DREAM, Università di Palermo, per le iniziative proposte, partendo da un progetto accurato dell’impianto, e, seguito da una analisi termodinamica ed economica, hanno dimostrato la validità della proposta. Le prospettive sono di interesse considerato l’atteso sviluppo del trading del GNL nel Mondo. In media, un terminale di rigassificazione a terra ha una capacità di rigassificazione di 8 109 Stm3/anno. Accoppiando unità modulari sia del tipo quivi proposto che di quelle proposte nel precedente articolo per la produzione di energia elettrica, le prospettive sono di rilievo [2]. Bibliografia [1] C. Dispenza, G. Dispenza, V. La Rocca, G. Panno, CHP plants for production of electrical energy during regasification of LNG recovering exergy of cold, in: Proceedings of ASME/ATI 2006 Conference Energy; production, distribution and conservation, Milan May 14/17, 2006 , Vol. II p. 593-603. La Termotecnica • Luglio/Agosto 2008 [2] C. Dispenza, G. Dispenza, V. 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