Analisi dell'applicazione di impianti trigenerativi e riduzione delle emissioni di CO2 per i campus di Bovisa del Politecnico di Milano

The aim of the following thesis is to consider the possibility of installing three plants for the combined production of electricity, heating and chilled water (trigeneration), at the service of the three main areas which comprise the Campus Bovisa (Bovisa Industriale, Durando, and Cosenz) of the Politecnico of Milan. The analysis develops into three parts, technical, economical, and environmental, being this last one the main aspect of the following work: the main target is to get, by the saving of primary energy, a reduction in CO2 emissions. Firstly, there is a description of the users, paying much attention to the characteristics of the heating and conditioning systems at the service of the buildings. Then there is a detailed analysis of the annual load curve of the thermal, electrical and refrigerating requests concerning the three areas in exam. Secondly, there is an analysis of the economic conditions regarding the purchase and the sale of electricity, and the purchase of gas necessary to deal with the thermal requests by the users: thanks to these information it has been possible to appreciate the cash flow before and after the entry into service of the plant, and also to determine the number of years necessary to compensate the investment through positive flows. At this point, there is the construction of the model of simulation in Excel through which it is possible to characterize the functioning and determine the best size of the three plants, and successively put into comparison three possible technologies of main engine: internal combustion engine, gas microturbine and fuel cell. After a preliminary analysis, it’s been possible to define the best technology from a technical-economic and environmental point of view for the three systems. It has also been taken into consideration the possibility of completing the plant with a thermal solar system equipped with a thermal storage (with the evaluation of the related CO2 emissions). For the only area of Bovisa Industriale there has been a measuring of the district heating service and the total size of the thermal storage (included the effect of the service and the proper accumulation of hot water); Then it’s been introduced an overall method of evaluation of the trigeneration system, which can take into consideration at the same time the issues of plant, energy and economy, so to allow an evaluation of the level of profitability of the trigeneration technology itself. In particular, a comparison has been made about the different plant configurations previously analysed concerning the different technologies of main engine. The economic scenery refers to basic economic factors such as the initial cost, operating and maintenance costs, the price of the fuel, using a methodology based on the Net Present Value (NPV). Finally, regarding the specific configuration of Bovisa Industriale, it has been possible to examine, by means of a heuristic model of economic optimization, the integration of the trigeneration plant with thermal storage and then it’s been taken into consideration the possibility to integrate the trigeneration plant with thermal storage and pump of air heating.

Il presente lavoro di tesi si propone come scopo la valutazione della possibilità di installare tre impianti per la produzione combinata di energia elettrica, calore e acqua refrigerata (trigenerazione) a servizio delle tre aree fondamentali che compongono il Campus Bovisa (Bovisa Industriale, Durando e Cosenz) del Politecnico di Milano. L’analisi si sviluppa su tre fronti, tecnico, economico ed ambientale, ma è soprattutto quest’ultimo a fare da traino all’intero studio: l’obiettivo primario è conseguire, tramite il risparmio di energia primaria, la riduzione delle emissioni, in particolar modo quelle di CO2. Per prima cosa sono state descritte le tre utenze in esame facendo particolare attenzione alla consistenza degli impianti di riscaldamento e condizionamento a servizio degli immobili. È stata poi fatta un’analisi dettagliata volta a stimare le curve di carico annuale su base oraria delle richieste termica, elettrica e frigorifera, relative alle tre aree in esame. Successivamente sono state delineate le condizioni economiche riguardanti l’acquisto e la vendita di energia elettrica, e l’acquisto di gas necessario a soddisfare la richiesta termica dell’utenza: grazie a queste informazioni è stato possibile valutare i flussi di cassa prima e dopo l’entrata in esercizio dell’impianto, e quindi determinare il numero di anni necessario a compensare l’investimento attraverso flussi positivi. Si è passati, a questo punto, alla costruzione del modello di simulazione in Excel attraverso cui è stato possibile caratterizzare il funzionamento e determinare la taglia ottima dei tre impianti. Successivamente sono state confrontate tre possibili tecnologie di motore primo: motore a combustione interna, microturbina a gas e fuel cell. Da una prima analisi è stato possibile determinare quale fosse la migliore tecnologia dal punto di vista tecnico-economico ed ambientale per i tre impianti. È stata poi valutata la possibilità di integrare l’impianto con un sistema solare termico dotato di un serbatoio d’accumulo (con valutazione delle relative emissioni di CO2). Per la sola area di Bovisa Industriale è stata inoltre dimensionata la rete di teleriscaldamento ed è stata valutata la taglia totale dell’accumulo (comprensiva dell’effetto della rete e dell’accumulo di acqua calda vero e proprio). In seguito, è stata introdotta una metodologia di valutazione complessiva del sistema trigenerativo, che tenesse contemporaneamente in considerazione gli aspetti impiantistici, energetici ed economici, in modo da permettere una valutazione del grado di profittabilità della tecnologia trigenerativa stessa. In particolare sono state confrontate le configurazioni impiantistiche precedentemente analizzate, relative alle diverse tecnologie di motore primo. Lo scenario economico fa riferimento a fattori economici di base quali il costo iniziale, i costi operativi e di manutenzione e il prezzo del combustibile, utilizzando una metodologia basata sul Valore Attuale Netto (VAN). Infine, come ulteriore analisi, per la sola configurazione ottima di Bovisa industriale, attraverso un modello euristico di ottimizzazione economica, è stata valutata la possibilità di integrare l’impianto trigenerativo con accumulo, e con accumulo termico più pompa di calore ad aria.