MOTORI E ALTERNATORI
Motori alternativi a combustione interna
I motori a combustione interna (MCI) sono impiegati da alcune decine d’anni nella cogenerazione industriale e più recentemente, grazie alla disponibilità sul mercato di modelli di piccola potenza, anche nei settori civile e terziario. Di seguito la nostra attenzione sarà concentrata sui motori a combustione interna di taglia inferiori a 1MW, anche se la maggior parte dei concetti teorici ed alcune considerazioni si possono estendere ai motori di taglia maggiore.
Tra le varie tecnologie di cogenerazione i MCI hanno l’indubbio vantaggio di essere una tecnologia matura, conosciuta ed applicata da tempo e caratterizzata da ampia diffusione in vari settori. Hanno raggiunto quindi una buona affidabilità, hanno rendimenti piuttosto elevati e costi relativamente contenuti; elementi di debolezza sono invece i costi di manutenzione piuttosto alti, una certa rumorosità di funzionamento, la presenza di vibrazioni e la necessità di impiegare sistemi di abbattimento degli inquinanti per limitare i livelli di emissioni (NOx, CO).
La dizione motori a combustione interna indica motori di tipo volumetrico la cui combustione avviene all’interno della macchina. Per quanto riguarda il cinematismo si tratta di motori alternativi.
Nell’impiego cogenerativo il motore viene fatto funzionare spesso a giri costanti (con una velocità di rotazione scelta in relazione alla frequenza di rete – 50Hz – ed alle caratteristiche dell’alternatore utilizzato) variando semplicemente la potenza richiesta.
Figura 4 – Motore MAN E2876 LE302 per cogenerazione alimentato a gas naturale, sovralimentato con turbocompressore. Caratteristiche: 8 cilindri a V a 90°; dimensioni 1210 x 1172 x 1340 mm; potenze erogate: meccanica 265 kW, termica 277 kW; efficienza totale 87,6 %.
Dal punto di vista degli effetti alle condizioni ambientali, la temperatura ambiente è il parametro che maggiormente condiziona la potenza ed in misura minore il rendimento; l’effetto principale si manifesta sulla potenza elettrica erogata, in quanto al crescere della temperatura ambiente diminuisce la densità dell’aria aspirata nel cilindro e quindi la potenza.
Nel caso di motori per cogenerazione il combustibile di gran lunga più usato è il gas naturale, per le sue caratteristiche di compatibilità ambientale e la disponibilità assicurata dalla capillare rete di distribuzione. Il suo utilizzo riduce i costi e la frequenza delle manutenzioni ed in generale prolunga la vita utile dei motori, oltre ad evitare l’uso dei serbatoi per il combustibile e dei necessari rifornimenti e controlli periodici.
Spesso i motori a combustione interna sono dotati di sovralimentazione mediante turbo-compressori. La sovralimentazione con inter-refrigerazione in generale aumenta la potenza del motore, diminuendone i costi specifici, e nella maggior parte dei casi migliora il rendimento e riduce le emissioni inquinanti allo scarico (in particolar modo gli NOx).
Generatori elettrici
I generatori elettrici normalmente utilizzati nei sistemi di cogenerazione sono quelli ad induzione, essenzialmente alternatori in grado di generare corrente alternata trifase a 400 Volt sincroni oppure asincroni.
Un alternatore sincrono può operare indipendentemente dalla rete. La tensione e la frequenza sono determinate solamente dai suoi equipaggiamenti di regolazione e controllo. La velocità di rotazione del rotore determina la frequenza che rimane costante al variare del carico.
Un alternatore sincrono può continuare a fornire potenza in caso di interruzione dell’alimentazione di rete, agendo in tal modo come generatore d’emergenza. Il suo avviamento avviene per mezzo di batterie e non produce pertanto alcun effetto sulla tensione di rete.
Il generatore asincrono può operare solo in parallelo alla rete, che provvede alla sua eccitazione magnetica e ne determina la tensione e la frequenza. Lo stesso si arresta per disconnessione o per interruzione dell’alimentazione di rete.
Un sistema di cogenerazione può operare secondo due modalità: i) in parallelo alla rete, nel qual caso il cogeneratore genera elettricità per soddisfare la richiesta, con integrazione da rete qualora la domanda risulti superiore della sua capacità di produzione; viceversa, se il carico è minore di questa, l’eccedenza di produzione può essere riversata in rete oppure può essere ridotta la generazione; ii)in emergenza (stand by), allorché il cogeneratore soddisfa il carico per interruzione dell’alimentazione di rete; la massima domanda di erogazione dev’essere controllata per protezione di sovraccarico.
Gli alternatori sincroni sono utilizzati in entrambe le modalità, mentre quelli asincroni non possono operare in assenza di connessione alla rete.
Sistemi di recupero del calore
Figura 5 – Schema concettuale di cogeneratore (CHP). Suoi componenti principali.
In un cogeneratore il calore viene recuperato essenzialmente dai gas di scarico e dal circuito di raffreddamento del motore per mezzo di opportuni scambiatori.
Questi operano in serie su di un circuito chiuso e rendono disponibile il calore su di un secondo circuito, interconnesso al primo con uno scambiatore, a temperature e portate specificate dal costruttore in funzione della potenza del motore adottato.
Il calore recuperato dal motore può risultare dell’ordine dell’85/90% di quello normalmente da esso rigettato, con temperature comprese tra i 75 ed i 90°C.
Il circuito secondario provvede poi, normalmente con distribuzione d’acqua calda, all’alimentazione delle varie utenze termiche (riscaldamento ambientale, produzione di acqua calda sanitaria, alimentazione di processi industriali) e nel caso di trigenerazione all’azionamento dell’assorbitore.
Di fondamentale importanza, per un valido utilizzo dell’assorbitore, risultano le temperature e le portate dell’acqua impiegata per il suo azionamento. Temperature e portate ridotte rispetto a quelle di targa ne penalizzano pesantemente le prestazioni.
Un’attenta progettazione del sistema 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 in gioco possono rendere il sistema parzialmente inefficiente.
In particolare risultano controproducenti differenze eccessive di temperatura fra quella di mandata e quella di ritorno al motore del fluido termovettore, che pertanto debbono risultare contenute per quanto possibile.