La cogenerazione con microturbine a gas

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Le microturbine a gas presentano taglie di potenza elettrica tipicamente nel range che va dai 30÷200 kW e rendimenti elettrici dell’ordine di 25÷30%. Sono macchine che in generale hanno ormai raggiunto un adeguato livello di sviluppo tecnologico ma presentano una diffusione ancora limitata nel campo della cogenerazione.

La microturbina a gas (MTG) è un particolare tipo di turbina a gas che si caratterizza per delle taglie di potenza elettrica molto limitate rispetto alle turbine a gas convenzionali; inoltre la microturbina presenta alcune caratteristiche architettoniche ed operative distintive rispetto alle turbine di grandi dimensioni: in generale la filosofia di progetto è diversa, in quanto per taglie così limitate si adottano soluzioni tecnologiche non sofisticate evitando gli accorgimenti più evoluti propri delle macchine di grande potenza e che non sarebbero economicamente giustificabili su macchine così piccole.

Il funzionamento prevede l’ingresso di aria esterna che viene compressa da un compressore, preriscaldata in uno scambiatore di calore ed ulteriormente riscaldata nella camera di combustione, a seguito della ossidazione di un combustibile in seno al flusso di aria. I gas caldi vengono espansi in turbina e quindi passano nello scambiatore di recupero prima di essere scaricati. Quando il sistema opera in assetto cogenerativo è presente un secondo scambiatore di calore che sfrutta la temperatura ancora elevata dei gas per riscaldare un fluido esterno, tipicamente l’acqua di alimento delle utenze termiche. La potenza meccanica disponibile all’albero della turbina viene impiegata in parte per trascinare il compressore ed in parte viene ceduta all’esterno, ad un generatore di corrente elettrica calettato sull’asse del turbo-compressore.

LO SCHEMA CONCETTUALE

Date le ridotte potenze in gioco e per contenere le dimensioni del sistema, il gruppo turbo- compressore ruota con velocità molto elevate (dell’ordine di 100000 giri al minuto), il che comporta elevati valori della frequenza della corrente generata; inoltre il sistema è progettato per funzionare con velocità di rotazione variabile al variare del carico e dunque la corrente alternata viene prodotta a frequenza variabile; per questo motivo a valle dell’alternatore è previsto un sistema elettronico di condizionamento, per convertire la corrente alternata alla frequenza nominale di rete pari a 50 Hz22.

La possibilità di funzionare a velocità di rotazione variabile, al variare del carico, conferisce alla MTG una flessibilità operativa maggiore rispetto alle grandi turbine a gas, per le quali la velocità di rotazione è invece fissa e stabilita direttamente dalla frequenza di rete. Con tale modalità operativa a giri variabili, si attenua il decadimento di prestazioni in termini di rendimento che si avrebbe a carico ridotto se la velocità fosse costante; pertanto le MTG sono anche utilizzabili in applicazioni nelle quali è richiesta una frequente modulazione del carico.

In definitiva la microturbina a gas si compone dei seguenti elementi:

  • un gruppo turbo-compressore che nella fattispecie delle MTG è a sua volta composto da un compressore centrifugo monostadio, ed una turbina a gas monostadio a flusso radiale;
  • una camera di combustione, di dimensioni limitate che può essere con architettura anulare (di derivazione aeronautica) o tubolare (disposta trasversalmente all’asse della macchina);
  • uno scambiatore di recupero termico a superficie di tipo compatto (a lamierini) spesso integrato all’interno della macchina;
  • un alternatore;
  • un sistema elettronico di condizionamento della potenza elettrica in uscita.

MODALITA’ DI CONNESSIONE ED ESERCIZIO

La microturbina può essere installata in configurazione “stand-alone”, cioè per alimentare utenze completamente isolate dalla rete elettrica o in modalità “grid-connected”, cioè prevedendo la connessione anche alla rete esterna delle utenze.
La connessione della MTG è in BT o MT a seconda delle utenze alimentate.
L’esercizio di una MTG può essere continuo o “on demand”, cioè ad esempio per soddisfare utenze saltuarie.

La microturbina, è dotata di una elevata flessibilità di funzionamento derivante dalla presenza dell’interfaccia elettronica di potenza che gestisce regimi diversi di rotazione. Una MTG può infatti operare secondo le seguenti modalità:

  • in modalità “termico segue”, cioè inseguendo la richiesta termica dell’utenza; il carico elettrico varierà di conseguenza;
  • in modalità “elettrico segue”, cioè adattandosi alla richiesta elettrica; il carico termico in tal caso varierà di conseguenza;
  • in condizioni di “by-pass”, parziale o totale, cioè deviando una parte dei fumi direttamente verso lo scarico e non verso lo scambiatore di recupero al fine di limitare la potenza termica prodotta.

AFFIDABILITA’ E COSTI DI MANUTENZIONE

Le microturbine sono generalmente garantite per un funzionamento di circa 6000÷8000 h annue, dato variabile da costruttore a costruttore (con fattori di utilizzo pari al 70÷90%). È generalmente necessario un solo ciclo di manutenzione ordinaria annua. La durata della vita delle microturbine è garantita per circa 60000 ÷ 80000 ore.

Altro componente delicato e soggetto a stress termici notevoli è lo scambiatore- recuperatore, che è investito dai gas ancora caldi uscenti dalla turbina. In genere è questo componente che determina la vita utile complessiva della macchina.

DIFFUSIONE E PREVISIONI DI MERCATO

Le microturbine, entrate sul mercato ormai da una decina di anni, sono attualmente impiegate in alcune istallazioni in Italia, in Europa e nel mondo: la Turbec ad esempio afferma di avere installato circa un centinaio di macchine per un totale di 850000 ore accumulate di funzionamento: le installazioni principali hanno fin’ora riguardato sistemi per la cogenerazione in ambito civile (hotel, aeroporti, università, piscine, centri ricerca, ospedali).

(Fonte dati: ENEA – Ricerca sistema elettrico)