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mercoledì 7 marzo 2012

Considerazioni sulla generazione elettrica

La generazione elettrica da fonti rinnovabili è un argomento di grande attualità. Fotovoltaico ed eolico ne sono due classici esempi.
Meno conosciuta è la possibilità di produrre elettricità dal calore utilizzando un motore termico accoppiato ad un alternatore.
I motori termici a combustione esterna, in particolare quelli a gas, sono tornati alla ribalta negli ultimi anni perchè caratterizzati da un'alimentazione policombustibile e con rendimenti potenzialmente molto elevati.
Un'analisi più attenta permette di scoprire che il motivo della mancata diffusione su ampia scala è essenzialmente economico.

Prima di tutto è opportuno specificare che le considerazioni riportate nell'episodio 09 sul motore di Manson free piston sono ugualmente valide per tutti i motori a combustione esterna.
Qui ribadiamo ancora una volta che l'obiettivo primario della progettazione e dello sviluppo di un impianto che produce energia elettrica è quello di mantenerne il costo al valore più basso possibile affinchè i tempi di ammortamento siano ragionevolmente sostenibili.
Riportiamo per comodità la stima già proposta

"Con un prezzo dell'energia elettrica da 0,15 a 0,20 euro/kWh, un impianto che costa 1 euro/W impiega da 5000 a 6700 ore (da 208 a 279 giorni) di funzionamento per produrre una quantità di energia elettrica pari al valore della macchina."

Abbiamo già accennato in precedenti post che se il calore che alimenta il motore è ottenuto da uno dei combustibili attualmente in commercio, la sola generazione elettrica difficilmente consente di ottenere energia elettrica a un costo minore di quello dei gestori nazionali.
Per questo motivo è necessario indirizzarsi verso una soluzione di tipo cogenerativo in cui il calore di scarto venga recuperato per la produzione di acqua sanitaria e per il riscaldamento. Nell'ipotesi cogenerativa, il costo del combustibile perde di importanza perchè sarebbe comunque sostenuto per il riscaldamento anche in assenza di produzione elettrica.

Spostiamo ora l'attenzione sull'aspetto puramente gestionale per il caso della generazione elettrica in cui il calore viene ricavato dalla combustione di legna.
Supponendo un fabbisogno elettrico medio di 500W nell'arco delle 24 ore e un'efficienza globale dell'impianto del 10%, la potenza termica assorbita è pari a

Potenza termica assorbita = Potenza elettrica / efficienza impianto =
= 500W / 0,10 = 5000W = 5kW

L'energia termica assorbita in un giorno risulta

Energia termica assorbita in 1 giorno = Potenza termica assorbita * 24h / 1g =
= 5kW * 24h / 1g = 120kWh/g

Ipotizzando di bruciare legna con un potere calorico medio di circa 4kWh/kg, dall'energia termica assorbita in un giorno è possibile determinare il consumo di legna giornaliero

Consumo giornaliero di legna = Energia termica assorbita in 1 giorno / Potere calorico medio =
= 120kWh/g / 4kWh/kg = 30kg/g

e il consumo orario risulta essere

Consumo orario di legna = 30kg/g / 24h/g = 1,25kg/h

Questo livello di consumo costringe purtroppo ad escludere la possibilità di una stufa con singolo carico settimanale e anche il singolo carico giornaliero di 30kg costituisce di per sè un risultato difficile da raggiungere.
Nell'esempio proposto il calore di scarto prodotto ha una potenza termica di 4,5kW (5kW al combustibile - 0,5kW elettrici = 4,5kW termici di scarto). Il valore è perfettamente compatibile con quello necessario per il riscaldamento domestico.

Nell'esempio è stato ipotizzato un fabbisogno elettrico medio di 500W.
Tale valore potrebbe apparire abbondantemente insufficiente per un consumo casalingo standard ma non è così.
Nella realtà l'assorbimento domestico è molto elevato solo in alcuni momenti, per esempio quando il forno è acceso, ma ci sono altri periodi in cui il consumo è nettamente inferiore a 500W.
Il surplus prodotto dall'impianto va ovviamente accumulato e reso disponibile nei momenti di maggiore richiesta.

Un confronto molto interessante è quello con il pannello fotovoltaico.
Questo tipo di soluzione lavora solo durante le ore di luce (e funziona al massimo del rendimento solo se è una giornata soleggiata).
Il motore termico, in teoria, può lavorare in continuo 24 ore su 24.
Con i pannelli fotovoltaici, il fabbisogno elettrico giornaliero deve essere coperto in 6-12 ore di funzionamento. Pertanto, a parità di fabbisogno, serve un impianto che sviluppi una potenza elettrica da 2 a 4 volte superiore (da 1000W a 2000W rispetto ai 500W del motore a combustione esterna).
Non va dimenticato che la maggior continuità operativa del motore termico determina anche una minore necessità di accumulo rispetto a quella coinvolta con il pannello fotovoltaico.

Un discorso a parte è quello della generazione elettrica in zone isolate non raggiunte dal gestore nazionale.
In questo caso un sistema policombustibile che produca energia elettrica ad un costo maggiore di quello della rete elettrica, ma inferiore a quello degli attuali generatori elettrici, potrebbe essere comunque commercialmente vincente.

Naturalmente, se la fusione fredda di cui tanto si discute sul web da inizio del 2011 diventasse realtà, rendendo disponibile una fonte di calore a temperature sufficientemente elevate e a costi irrisori, il panorama potrebbe cambiare in modo sostanziale. E se ora i motori a combustione esterna sono solo un'oppurtunità, la fusione fredda potrebbe renderli la scelta più conveniente in assoluto.

3 commenti:

  1. Bella la disanima, e mi piacerebbe continuarla.

    Purtroppo quando si parla di cogenerazione, aumenta anche il costo d'impianto e l'euro/W calcolato non basta più (allacci all'impianto esistente, accumulo riscaldamento/ACS), senza parlare del "problema" dell'accumulo, e della previsione del consumo! cosa che sembra banale ma non lo è, soprattutto quando si vanno a dimensionare, appunto gli accumuli...

    Inoltre, i nostri 500 W elettrici, ci servono anche in estate....quando la potenza termica è inutile (a meno di utilizzare un costoso accumulo stagionale...).
    Diverse volte ho provato a "dimensionare" un piccolo sistema cogenerativo per un utilizzo domestico, e putroppo, appena si sbaglia la previsione (analisi di sensibilità), il sistema si trova a non riuscire a far fronte alla richiesta.

    Altra "provocazione": nell'ottica della fusione fredda tu parli dei motori a combustione esterna come "convenienti in assoluto"...ma cosa permette loro di vincere rispetto a collaudatissimi impianti con turbine a vapore? (visto che le Tmax mi paiono simili).

    ciao
    -D-

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    Risposte
    1. Ciao Davide,
      giuste le tue considerazioni.

      Per quanto riguarda l'aumento dei costi dell'apparecchiatura in caso di cogenerazione propongo questo ragionamento.
      Supponiamo di aver la necessità di rinnovare l'impianto di riscaldamento di casa.
      Ci sono due possibilità. La prima è una stufa che permette solo di riscaldare. La seconda è una stufa che, oltre a scaldare, sviluppa anche elettricità pari al 10% della sua potenza termica pagandola in più 1 euro per ogni watt di potenza elettrica generabile.
      A queste condizioni, in poco più di un inverno ottengo l'ammortamento del motore termico e il resto del suo tempo di vita mi consente di risparmiare sulla spesa dell'energia elettrica.
      In pratica, il motore termico deve essere considerato un accessorio alla stufa e la corrente elettrica che produce è un bonus che si riceve per aver scelto di installarlo.

      L'ipotesi cogenerativa ha senso solo nel periodo invernale quando il calore di scarto può essere utilizzato per il riscaldamento dell'abitazione.
      Quando il riscaldamento non serve, la cogenerazione perde di significato e il costo del combustibile grava direttamente su quello dell'energia elettrica prodotta. In tal caso bisogna verificare se vale la pena produrla piuttosto che acquistarla dal gestore nazionale.

      La turbina a vapore e le turbine ORC sono un altro argomento estremamente interessante, ma sono adatte e vincenti solo in grandi impianti. Per motivi fisici e tecnologici non è possibile rimpicciolirle a piacere per ridurne la potenza.
      Inoltre poichè le pressioni operative sono decine se non centinaia di volte maggiori di quelle di un motore a gas, la loro pericolosità è senza dubbio superiore.
      Per l'utilizzo domestico servono circa 500W elettrici.
      Non mi risulta esistano turbine con costi ed efficienze compatibili con questa esigenza.

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    2. Vero,
      anche se io considererei la taglia minima sui 1000 W, anche, appunto, per poter utilizzare accessori (pompe, inverter ecc) con un rendimento decente... ed evitare l'accumulo... (quando l'utenza richiede 2-3 kW, e io produco solo 500W, il banco batterie, fà presto a scaricarsi.

      Infatti su taglie così piccole, anche il tanto "criticato" (sotto il profilo del rendimento) fotovoltaico, dice la sua (un sistema pv, ormai viaggia su una conversione di energia del 12-13%, in linea con i sistemi che stiamo studiando, con l'unica, grossa, pecca di essere incostnate, non prevedibile e periodica (no di notte).
      Leggevo ieri un articolo che in USA, california precisamente, già si stanno ponendo il problema dell'energia di compensazione (quell'energia che deve essere immessa in tempi brevissimi in rete, nel caso, per esempio che un campo fotovoltaico vada in ombreggiamento a causa di una perturbazione), che aumenterà il suo costo (raddoppiando), nei prossimi 2-3 anni.

      -D-

      Elimina

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INDICE DEI CONTENUTI

I. GENERAZIONE DI ENERGIA ELETTRICA
30. Considerazioni sulla generazione elettrica
90. Analisi economica sulla cogenerazione domestica
26. L'alternatore lineare

II. GAS IDEALI: DALLE TRASFORMAZIONI AI MOTORI
1. L'equazione di stato dei gas perfetti: istruzioni per l'uso
3. P·V=n·R·T: considerazioni laterali
13. La trasformazione isocora
14. La trasformazione isoterma
15. La trasformazione isobara
16. La trasformazione adiabatica
65. La trasformazione isoentalpica
83. Confronto fra i processi isotermici e i processi isoentropici
2. Trasformazioni isocore e trasformazioni isobare: considerazioni sugli scambi energetici
4. Trasformazioni isoterme e trasformazioni adiabatiche: considerazioni sugli scambi energetici
74. Efficienza di un compressore commerciale - Episodio 1
75. Efficienza di un compressore commerciale - Episodio 2
76. Lavoro massimo ottenibile dall'aria compressa
91. Energia potenziale meccanica di un gas
5. Il ciclo di Carnot
12. Il trasferimento del calore
6. Il rigeneratore di calore
7. Il rigeneratore di calore - Parte seconda
28. Il rigeneratore di calore: basi teoriche
29. Dimensionamento del rigeneratore di calore
8. Il ciclo di Stirling
9. Efficienza del rigeneratore di calore e rendimento del ciclo di Stirling
10. Il ciclo di Brayton
11. Ciclo di Brayton: considerazioni su rendimento e lavoro utile
17. Il motore di Cayley free piston - Episodio 01
18. Il motore di Cayley free piston - Episodio 02
19. Il motore di Cayley free piston - Episodio 03
20. Il motore di Cayley free piston - Episodio 04
21. Il motore di Cayley free piston - Episodio 05
22. Il motore di Cayley free piston - Episodio 06
23. Il motore di Manson free piston - Episodio 07
24. Il motore di Manson free piston - Episodio 08
25. Il motore di Manson free piston - Episodio 09
27. Efficienza del rigeneratore e rendimento del motore di Manson
31. Il motore di Manson free piston - Episodio 10
32. Il motore di Manson free piston - Episodio 11
33. Il motore di Manson free piston a doppio effetto
34. Il motore di Manson LTD
35. Stufa con recupero termico
37. Il motore di Cayley free piston a doppio effetto
38. Il motore di Cayley free piston a doppio effetto - Seconda versione
39. Motore di Cayley e motore di Manson: considerazioni laterali
85. Falsi motori

III. DALL'ACQUA AL VAPORE
36. L'heat pipe
40. La tensione di vapore dell'acqua
41. Gli scambi termici dell'acqua liquida
42. Gli scambi termici nella vaporizzazione dell'acqua
43. Gli scambi termici dell'acqua a pressione costante
44. Cp dell'acqua vaporizzata: considerazioni laterali
45. La densità dell'acqua
46. Densità del vapore acqueo: considerazioni laterali
47. Il ciclo isobaro-isocoro del vapore
48. Entalpia ed energia interna
49. L'espansione adiabatica del vapore saturo - Episodio 01
50. L'espansione adiabatica del vapore saturo - Episodio 02
51. Il ciclo Rankine del vapore saturo
52. Il ciclo Rankine del vapore surriscaldato
53. L'espansione adiabatica del vapore nel diagramma di Mollier
54. Il Colibrì
55. Raccolta di link sui motori Uniflow
56. Motore a vapore con distributore a cassetto
58. Colibrì free piston a doppio effetto di tipo A
59. Colibrì free piston a doppio effetto di tipo B
60. Il ciclo termodinamico del Colibrì
61. Il Colibrì a vapore
62. Il lavoro di pompaggio nel Colibrì a vapore
63. Colibrì Vs Uniflow Vs Rankine
64. Colibrì Vs Uniflow Vs Rankine: considerazioni laterali
66. La trasformazione isoentalpica del vapore
67. Energia potenziale meccanica dei gas
68. Energia potenziale meccanica dei gas - Seconda Parte
69. L'energia potenziale meccanica del vapore saturo
70. Efficienza termomeccanica del vapore saturo
71. Efficienza termomeccanica del vapore surriscaldato
72. Colibrì monoeffetto biellato - Episodio 1
73. Colibrì monoeffetto biellato - Episodio 2
77. Colibrì monoeffetto biellato - Episodio 3
86. Il Colibrì è in realtà un leone
88. Ricerche sull'anteriorità del lion-Powerblock
89. The Una-flow Steam-engine (1912)
92. Colibrì monoeffetto biellato - Episodio 4
93. The Una-flow Steam-engine - Capitolo I
94. Colibrì monoeffetto biellato - Episodio 5
97. Il Colibrì – Descrizione dell’Idea
98. Il Colibrì – Contesto Commerciale
99. Il Colibrì – La Tecnologia - PARTE I
100. Il Colibrì – La Tecnologia - PARTE II
101. Il Colibrì – La Tecnologia - PARTE III
102. Il Colibrì – La Tecnologia - PARTE IV
103. Il Colibrì – La Tecnologia - PARTE V
104. Il Colibrì – Campi di Applicazione
105. Il Colibrì – Punti di Forza
106. Il Colibrì – Svantaggi

IV. RICERCA DI FRONTIERA
57. Considerazioni economiche sull'E-cat di Andrea Rossi
78. Dal compressore elettrochimico al catodo cavo di Arata/Celani
84. Il mondo non viene assimilato; viene fatto - Sir Karl Raimund Popper (1902 - 1994)
87. Speculazioni, azzardi e previsioni sulla fusione fredda
96. E-Cat e dintorni
107. E-Cat e dintorni
109. La ganascia termica nella generazione di calore anomalo - Introduzione
110. La ganascia termica nella generazione di calore anomalo - Il ciclo operativo
111. La ganascia termica nella generazione di calore anomalo - Contributo al COP delle varie fasi del ciclo
112. La ganascia termica nella generazione di calore anomalo - Sulla termodinamica e sulla cinetica
113. La ganascia termica nella generazione di calore anomalo - Sui requisiti termici e sulle tempistiche
114. La ganascia termica nella generazione di calore anomalo - Sull’importanza del rapporto fra la superficie e il volume del metallo
115. La ganascia termica nella generazione di calore anomalo - Sulle critiche al COP>2 e alla perdita di controllo della reazione
116. Teoria per l'unificazione della materia e della radiazione
117. Considerazioni laterali sulla radiazione elettromagnetica
118. Il propulsore fotonico
119. Materia e radiazione elettromagnetica: consigli per la ricerca
120. Scienza Laterale e Spazionica uniti nella ricerca
121. Dalla relazione di Einstein alla massa radiante
122. Considerazioni sulla relazione di Einstein
123. Fusione nucleare calda o fusione nucleare fredda?
124. Hot nuclear fusion or cold nuclear fusion?
125. Stima del cammino libero medio
126. Mean free path evaluation
127. Dematerializzazione
128. Dematerialisation
129. Carica elettrica relativistica
130. Relativistic electric charge
131. Ragionamenti sulla carica elettrica relativistica
132. Reasoning on the relativistic electric charge
133. Conduzione elettrica nei gas
134. Electric flow in gases