Turbina a gas o motore a gas per la produzione di energia industriale in loco

Una turbina a gas è spesso una soluzione ideale per un impianto con una domanda elettrica costante e un fabbisogno continuo di calore di processo ad alta temperatura o di vapore. Un motore a gas alternativo può essere più adatto quando contano maggiormente l’efficienza elettrica, la variabilità dei carichi o la capacità modulare. La scelta non dipende soltanto dalla potenza nominale delle apparecchiature: la risposta dipende dal funzionamento dell’intero impianto nel corso dell’anno.

Per prima cosa, confrontate l’energia elettrica erogata e il calore utilizzabile nelle stesse condizioni del sito. I gas di scarico di una turbina possono essere preziosi, ma solo se il processo è in grado di utilizzarli. Le prestazioni elettriche interessanti di un motore possono risultare meno vantaggiose se l’impianto necessita di più calore ad alta temperatura di quanto il suo sistema di recupero possa fornire.

Partite dal profilo di carico, non dalla domanda di picco

Un singolo valore di domanda di picco dice poco sulle prestazioni di una centrale elettrica durante la sua vita operativa. Mappate il carico elettrico dell’impianto tra turni, fine settimana, variazioni stagionali e fermate programmate. Individuate sia il carico minimo sostenuto sia quello massimo e distinguete i carichi critici dalle apparecchiature che possono essere interrotte.

Le turbine a gas sono generalmente adatte a lunghi periodi di funzionamento stabile. La loro efficienza elettrica può diminuire a carico parziale, quindi un’unità dimensionata per un breve picco potrebbe funzionare per gran parte dell’anno al di fuori del proprio intervallo ottimale. Anche la temperatura ambiente influisce sulla potenza e sull’efficienza della turbina; i giorni di produzione più caldi possono coincidere con la maggiore domanda di raffreddamento e con la minore potenza disponibile.

I motori a gas possono offrire una flessibilità utile quando la domanda varia. Un impianto con più motori può avviare o arrestare le unità per adeguarsi alla domanda, mantenendo quelle in funzione più vicine al loro intervallo operativo efficiente. Questa modularità comporta apparecchiature e controlli aggiuntivi, coordinamento della manutenzione e potenzialmente un maggiore ingombro. Confrontate l’installazione completa, senza presumere che diverse unità più piccole siano automaticamente più convenienti.

Per entrambe le tecnologie, chiedete ai fornitori le prestazioni nell’intero intervallo di carico previsto, compresi il carico minimo stabile, i requisiti di avviamento, le velocità di variazione del carico e le limitazioni relative agli avviamenti frequenti. Utilizzate condizioni specifiche del sito e includete i consumi ausiliari nel confronto della potenza netta disponibile per l’impianto.

Adattate il recupero del calore al processo

La cogenerazione può cambiare l’esito del confronto tra turbina a gas e motore a gas. La domanda utile non è semplicemente quanto calore esce dall’apparecchiatura, ma quanto se ne può recuperare alla temperatura, alla pressione e nel momento in cui il processo ne ha bisogno.

Una turbina a gas produce un flusso consistente di gas di scarico caldi. Questo flusso può essere convogliato a un generatore di vapore a recupero di calore oppure, se il processo lo consente, essere utilizzato per il riscaldamento diretto o l’essiccazione. Una turbina è una soluzione più interessante quando l’impianto ha una domanda costante di questo calore. Se la produzione si interrompe frequentemente o la domanda di vapore diminuisce mentre quella elettrica rimane elevata, parte dei potenziali vantaggi del recupero di calore può venire meno.

Anche i motori a gas consentono il recupero del calore, ma questo è distribuito tra i gas di scarico, i circuiti di raffreddamento del motore e altre fonti. Il calore dell’acqua di raffreddamento può essere utile per l’acqua calda o per applicazioni a temperatura più bassa, mentre il calore dei gas di scarico può supportare il recupero ad alta temperatura. La produzione di vapore utilizzabile e la sua temperatura dipendono dal motore e dalla progettazione del sistema di recupero; il calore totale recuperabile non deve essere considerato equivalente al vapore di processo ad alta pressione.

Ove possibile, confrontate ora per ora la domanda di calore. Tenete conto delle perdite di calore, del funzionamento in bypass, della postcombustione, del rendimento delle caldaie esistenti e della necessità di vapore di riserva. Un elevato valore di efficienza complessiva è significativo solo quando il calore recuperato sostituisce combustibile che il sito avrebbe altrimenti utilizzato.

La fornitura di combustibile può cambiare la scelta preferibile

Entrambe le tecnologie richiedono un combustibile che rientri nei limiti stabiliti dal fornitore delle apparecchiature, ma i limiti e i requisiti di trattamento pertinenti sono diversi. La composizione del combustibile, il potere calorifico, la pressione, i contaminanti e le variazioni nel tempo possono influire sulla combustione, sulle emissioni, sulla manutenzione e sulla disponibilità.

Per una turbina, la pressione del gas in ingresso può essere insufficiente in alcune condizioni operative, rendendo necessaria la compressione del gas combustibile. Ciò comporta consumi elettrici, costi di capitale e manutenzione aggiuntivi, oltre a un’altra apparecchiatura la cui disponibilità è importante. Un impianto con motore può avere requisiti diversi di pressione e qualità del combustibile: confrontate quindi l’intero sistema di alimentazione del combustibile per ciascuna proposta.

Se il sito utilizza biogas o un altro combustibile dalla composizione variabile, fornite analisi rappresentative del combustibile che coprano il funzionamento normale e le variazioni prevedibili. Prima che una delle due macchine possa funzionare in modo affidabile, potrebbe essere necessario trattare il combustibile per rimuovere umidità, composti corrosivi o altri contaminanti. La flessibilità rispetto al combustibile deve essere valutata in base ai limiti specificati per l’unità proposta, non presunta in base alla categoria tecnologica.

Quando è necessaria la compressione del combustibile, il pacchetto deve essere coordinato con l’intervallo di pressione, i controlli e il programma di funzionamento della centrale. SINO-QNP offre soluzioni chiavi in mano per unità di compressori nell’ambito della sua più ampia attività nel settore delle turbomacchine. La configurazione applicabile dipende dalla fornitura di combustibile e dalle apparecchiature di generazione selezionate.

L’affidabilità dipende dalla configurazione dell’impianto

Un’unica unità di generazione è semplice da configurare, ma la sua manutenzione o un guasto imprevisto possono eliminare tutta la capacità di generazione in loco. La presenza di più motori può consentire di continuare a generare parzialmente energia quando un’unità non è disponibile. Anche una configurazione con più turbine può garantire ridondanza, sebbene la sua idoneità dipenda dalla capacità richiesta e dai costi.

Definite la modalità operativa richiesta prima di attribuire un valore alla ridondanza. Un impianto collegato a una rete affidabile può tollerare un’interruzione del generatore in modo diverso da un impianto che deve mantenere autonomamente i processi critici. Il funzionamento in parallelo con la rete non garantisce automaticamente la disponibilità di energia durante un’interruzione della rete: la capacità di funzionamento in isola, le protezioni, i controlli e un’adeguata fonte di alimentazione per l’avviamento devono essere progettati nel sistema.

La pianificazione della manutenzione deve includere gli interventi programmati, le revisioni generali, la disponibilità dei ricambi, i tempi di risposta dell’assistenza e il costo di produzione dovuto ai tempi di fermo. In genere i motori richiedono interventi di manutenzione ordinaria più frequenti, mentre le turbine hanno propri requisiti di ispezione e revisione. Gli intervalli dipendono dall’apparecchiatura, dal combustibile, dagli avviamenti e dalle condizioni operative; confrontate quindi i programmi di manutenzione dei fornitori sulla base dello stesso regime di funzionamento annuale.

Valutate le emissioni e l’installazione come sistemi completi

I requisiti autorizzativi e i limiti del sito possono influire sulla scelta delle apparecchiature tanto quanto l’efficienza. Confrontate gli ossidi di azoto, il monossido di carbonio e le altre emissioni applicabili nei punti di funzionamento effettivi dell’impianto, compresi l’avviamento e il carico parziale, ove pertinenti. Chiedete se i valori quotati dipendono dai controlli della combustione o dal trattamento dei gas di scarico e includete i relativi materiali di consumo, le perdite di pressione, gli spazi necessari e la manutenzione.

Anche i vincoli di installazione variano da progetto a progetto. Esaminate la filtrazione dell’aria in ingresso, il convogliamento dei gas di scarico, il controllo del rumore, la ventilazione, il raffreddamento, le fondazioni, la protezione antincendio e l’accesso per la rimozione delle apparecchiature. Anche un gruppo elettrogeno compatto può richiedere infrastrutture circostanti considerevoli. Nei progetti di recupero del calore, la posizione degli utilizzatori di vapore e delle caldaie esistenti può incidere notevolmente sui costi delle tubazioni e sulle perdite di calore.

Effettuate il confronto sulla base delle stesse condizioni operative

Prima di richiedere le proposte definitive, predisponete una serie comune di ipotesi: profili dei carichi elettrici e termici, condizioni ambientali, caratteristiche e pressione del combustibile, ore di funzionamento, interfaccia con la rete, limiti alle emissioni e disponibilità richiesta. Chiedete a ciascun fornitore di specificare cosa è incluso e di indicare le condizioni a cui si riferiscono le garanzie.

Impostate il confronto sul ciclo di vita considerando l’energia elettrica netta erogata, il combustibile consumato, il calore effettivamente utilizzato, la manutenzione ordinaria, gli interventi principali, le apparecchiature ausiliarie e i tempi di fermo previsti. Includete il fabbisogno residuo di elettricità dalla rete o di vapore dalle caldaie quando l’unità proposta non è in grado di coprire la domanda totale.

Se il sito ha una domanda costante sia di elettricità sia di calore ad alta temperatura, prendete seriamente in considerazione una configurazione di cogenerazione basata su turbina. Se la domanda varia notevolmente, il fabbisogno di calore è limitato o la capacità parziale durante la manutenzione ha un valore elevato, confrontate attentamente un impianto modulare con motori. La soluzione preferibile è quella che soddisfa i requisiti operativi del sito al costo credibile più basso sul ciclo di vita, non quella con le specifiche più elevate considerate isolatamente.