L'Assessorato sanità, salute e politiche socliali della Regione Autonoma della Valle d'Aosta, all'interno dei programmi di ristrutturazione e rifunzionalizzazione dei Presidi Ospedalieri "Umberto Parini" di Viale Ginevra e di Beauregard, ha voluto dare impulso ad alcune iniziative mirate specificamente al risparmio energetico.
Si inserisce in questo contesto la realizzazione dell'impianto di cogenerazione1 del P. Ospedaliero di Viale Ginevra che si aggiunge a quello del P. Ospedaliero di Beauregard, attivo già dall'anno 2000 e costituito quest'ultimo da due macchine in grado di produrre ognuna 90 kWe.
L'intervento è inserito in un contesto più ampio che ha visto la ristrutturazione complessiva delle centrali tecnologiche dell'Ospedale "Umberto Parini" con la realizzazione di un nuovo sistema di produzione dell'energia termica per la climatizzazione degli ambienti e la produzione di acqua calda sanitaria, incentrato su un impianto di cogenerazione più propriamente definibile come impianto di trigenerazione in relazione alla possibilità di produrre energia elettrica, energia termica ed energia frigorifera.
L'ambito Ospedaliero rappresenta una delle situazioni di maggior interesse per l'inserimento di impianti cogenerativi in quanto i diagrammi di carico sia elettrici che termici hanno uno zoccolo costante assai elevato. Nel caso in questione il gruppo di cogenerazione è stato dimensionato per poter coprire l'impegno di potenza elettrica di base del comprensorio ospedaliero: a quest'ultima potenza - corrispondente a circa il 50% del valore di punta impegnato dal Presidio Ospedaliero - corrisponde un valore di energia annua consumata pari al 70 ÷ 80% di quella complessivamente assorbita dalla struttura sanitaria.
Analogamente, il funzionamento del cogeneratore permette di recuperare gran parte dell'energia termica prodotta dal motore (circa 740 kWt) utilizzandola per coprire la base del carico termico invernale del Presidio Ospedaliero.
Nel periodo estivo, quando il carico termico della struttura è minimo, parte dell'energia termica recuperata dal motore viene utilizzata per la produzione di acqua refrigerata necessaria alla climatizzazione degli ambienti.
La centrale di cogenerazione è operativa dal febbraio 2005 e l'USL della Regione Autonoma Valle d'Aosta ha attivato una campagna di monitoraggio, nell'ambito dei propri controlli nel settore energetico, per verificare l'efficienza energetica del sistema.
L'impianto, nel suo funzionamento a regime, ha permesso un risparmio di energia pari al 15% rispetto ad una conduzione, per la produzione e trasformazione dell'energia termica ed elettrica, di tipo tradizionale con una conseguente diminuzione di circa il 20% delle emissioni di CO2 in ambiente, rispetto ai valori di consumo energetico del 2004.
Il confronto è stato effettuato tra i dati di consumo dell'anno 2004, quando ancora non era in funzione l'impianto di cogenerazione, e l'anno 2006, in cui il cogeneratore ha funzionato a regime per tutto l'anno.
Purtroppo nel 2007 l'impianto di cogenerazione non ha funzionato per gran parte dell'anno a causa di un difetto di fabbricazione, pertanto si è assistito nuovamente ad un aumento dei consumi globali di energia, in controtendenza all'andamento discendente dei consumi che si stava verificando dall'anno 2004. Dal 2008 l'impianto ha ricominciato a funzionare a regime.
Il progetto
L'impianto di trigenerazione del Presidio Ospedaliero "Umberto Parini" di Viale Ginevra ad Aosta è preposto alla produzione di energia elettrica e di energia termica sotto forma di acqua surriscaldata; quest'ultima viene utilizzata nel periodo invernale per il riscaldamento e nel periodo estivo per produrre parte dell'energia necessaria al raffrescamento, mediante un gruppo frigorifero ad assorbimento2.
La rete di distribuzione è concepita come una rete di teleriscaldamento/teleraffreddamento che alimenta delle sottocentrali; la regolazione dell'impianto termico è attuata mediante un sistema elettronico che permette di massimizzare il recupero dell'energia termica dal gruppo di cogenerazione sia nel periodo invernale che in quello estivo.
Per la produzione dell'acqua refrigerata vengono utilizzati gruppi frigoriferi centrifughi ad alto rendimento e un gruppo frigorifero ad assorbimento che utilizza, nel periodo estivo, il calore di recupero dal gruppo di cogenerazione.
L'impianto nel suo complesso viene controllato e gestito da un sistema di supervisione.
I nuovi impianti realizzati sono: la centrale termica ad acqua surriscaldata alimentata a gas metano (gasolio come combustibile di emergenza); la centrale frigorifera con gruppi frigoriferi centrifughi e ad assorbimento; la centrale di cogenerazione del tipo a trigenerazione; la centrale idraulica e le sottocentrali di distribuzione.
La nuova centrale di produzione fornisce l'energia termica a tutto il Presidio Ospedaliero che, allo stato attuale, si sviluppa per una volumetria complessiva di circa 300.000 m3.
Centrale termica
Nella nuova centrale termica ad acqua surriscaldata sono stati installati tre generatori ad alto rendimento da circa 3 MWt utili cadauno oltre alla potenza generata dal cogeneratore (0,7 MWt) per 9,7 MWt complessivi per la produzione di acqua surriscaldata nel salto termico 115°/75° C (?t 40° C).
I tre generatori di calore hanno una potenza termica al focolare pari a 3,2 MWt e resa all'acqua pari a 3.0 MWt utili cadauno e sono del tipo a doppia superficie di scambio e a tre giri di fumo.
I tre generatori di calore sono stati dimensionati in modo da sopperire alle richieste di energia termica degli attuali volumi climatizzati e di quelli prevedibili di ampliamento all'interno dell'area ospedaliera: due sole caldaie coprono pertanto il fabbisogno attuale di potenza termica e la terza caldaia risulta di riserva.
Come garanzia di funzionamento anche in situazioni in cui la rete di distribuzione del gas non provveda ad una normale erogazione, i generatori di calore sono dotati di bruciatori modulanti, alimentabili anche a gasolio.
La capacità della centrale termica di modulare la propria potenza, per far sì che non si presenti una riduzione di rendimento anche nel caso di un funzionamento a carico parziale, è stata dunque ottenuta grazie all'utilizzo di più caldaie, ognuna delle quali è inoltre in grado di modulare la propria potenza.
La rete di distribuzione dell'acqua surriscaldata è realizzata come rete di teleriscaldamento, per potersi meglio interfacciare con la situazione preesistente e vincolante per l'intero progetto. Tale rete alimenta, nelle singole sottocentrali, specifici scambiatori a piastre utilizzati per la produzione dell'acqua calda, con salto termico 85°÷70° C, necessaria per l'alimentazione dei singoli circuiti di distribuzione all'interno dei differenti corpi di fabbrica.
La distribuzione dell'acqua surriscaldata e la circolazione delle singole caldaie è garantita tramite batterie di pompe che permettono il funzionamento in cascata dei generatori di calore. I gruppi di pompaggio sulla rete di ritorno sono dotati di inverter così da consentire una regolazione della portata nelle situazioni di richiesta ridotta di potenza termica.
L'impianto di distribuzione dell'acqua surriscaldata è completato da un sistema di by-pass e ricircolo sulla rete principale che permette, in qualsiasi situazione, il ricircolo della quantità di acqua necessaria per il recupero dell'energia termica prodotta dal gruppo di cogenerazione.
La rete di teleriscaldamento è inoltre dotata di un sistema di regolazione della temperatura dell'acqua surriscaldata, in mandata al sistema, che si modula in funzione del carico e della temperatura esterna mediante una valvola a tre vie. Quest'ultima ha il compito principale di mantenere costante la temperatura di ritorno dal circuito di teleriscaldamento in modo da rendere sempre possibile e prioritario il recupero dell'energia termica dal gruppo di cogenerazione.
Tutte le funzioni della centrale termica sono controllate e gestite da un impianto di supervisione che ha una stazione principale all'interno della sala controlli posta in adiacenza della centrale.
Il serbatoio del gasolio, combustibile utilizzato solo in caso di emergenza, ha una capacità pari a 15 m3 ed è sistemato all'esterno in posizione interrata.
Centrale frigorifera
La centrale frigorifera è composta da due gruppi frigoriferi del tipo centrifugo ad alto rendimento da 1,6 MWf cadauno e da un gruppo frigorifero ad assorbimento del tipo a bromuro di litio da 0,54 MWf per complessivi 3,7 MWf.
I gruppi centrifughi sono alimentati elettricamente mentre il gruppo frigorifero ad assorbimento utilizza, per la produzione dell'acqua refrigerata, l'energia termica derivata dal recupero del gruppo di cogenerazione. L'energia termica necessaria per il funzionamento del gruppo ad assorbimento, pari a circa 770 kW è fornita dal cogeneratore tramite acqua surriscaldata nel salto termico 110°÷85° C.
Un sistema centralizzato di controllo elettronico dei gruppi frigoriferi, interfacciato con il sistema di supervisione generale degli impianti, è in grado di gestire in sequenza i gruppi frigoriferi che possono inserirsi in relazione all'effettivo carico del sistema mantenendo costante il salto di temperatura dell'acqua refrigerata inviata alla rete principale di distribuzione (teleraffreddamento).
L'energia frigorifera, nel salto termico 7°/12° C, è distribuita all'interno del Presidio Ospedaliero anch'essa tramite una rete di teleraffreddamento che alimenta tutte le sottocentrali di fabbricato. Tre torri evaporative, di cui due da 1,9 MWt ed una da 1,4 MWt, provvedono a smaltire il calore prodotto dai gruppi frigoriferi.
Anche per la centrale frigorifera tutte le funzioni dell'impianto sono controllate e gestite da un impianto di supervisione.
Centrale di cogenerazione
La centrale di cogenerazione, vero fulcro dell'intervento energetico del Presidio Ospedaliero, è costituita da un motore endotermico alimentato a gas metano accoppiato ad un alternatore in grado di produrre in modo continuo 0,625 MWe. Il raffreddamento del motore, tramite scambiatori sui circuiti di raffreddamento dell'olio, dell'acqua e dei fumi di scarico, permette il recupero di circa 0,74 MWt per i consumi interni del Presidio Ospedaliero della struttura sanitaria.
L'energia termica infatti viene completamente assorbita, nel periodo invernale, per il preriscaldamento dell'acqua della rete del teleriscaldamento e nel periodo estivo per alimentare il gruppo frigorifero ad assorbimento che, a fronte di un assorbimento di 0,74 MWt di potenza termica, fornisce 0,54 MWf di potenza frigorifera.
Si configura in questo modo un sistema ad alta efficienza energetica in quanto il gas metano viene utilizzato, secondo un criterio di ottimizzazione, per produrre energia elettrica, più pregiata, sfruttando la massima potenzialità del combustibile e per fornire energia termica quale cascame della produzione elettrica.
Il gruppo di cogenerazione è predisposto per realizzare un funzionamento elettrico a seguire in relazione alle specifiche richieste dall'ente erogatore pubblico, dimensionato per coprire, in modo continuativo, il carico elettrico di base di tutto il Presidio Ospedaliero.
Il recupero dell'energia termica dal gruppo di cogenerazione (in totale circa 800 kWt) avviene in una quota parte di entità maggiore (gas di scarico) ad alta temperatura (90°÷115° C), e in una quota parte (raffreddamento motore e olio motore) a bassa temperatura (80°÷90° C).
L'energia termica recuperata al livello di temperatura maggiore viene utilizzata per il funzionamento del gruppo frigorifero ad assorbimento. Nel caso in cui la macchina frigorifera non utilizzi una quota parte o eventualmente tutta l'energia termica disponibile, questa viene smaltita utilizzandola per il preriscaldamento del circuito di ritorno dalla rete dell'acqua surriscaldata principale che alimenta la rete di teleriscaldamento del Presidio Ospedaliero.
L'impianto di raffreddamento del cogeneratore è dotato di vari controlli per garantire un livello di temperatura corretta del fluido in ingresso alla macchina al fine di evitare danneggiamenti al motore: oltre alla presenza di un by-pass dei gas di scarico sono previsti scambiatori di emergenza acqua/aria che, possono raffreddare il fluido che ha il compito di mantenere costante la temperatura dell'acqua in ingresso al cogeneratore.
Il gruppo di cogenerazione è contenuto all'interno di una cofanatura insonorizzante per attenuare il livello acustico della macchina in funzione; il raffreddamento della struttura avviene tramite un impianto di ventilazione su cui sono posti dei silenziatori che evitano la trasmissione del livello acustico verso l'esterno.
Monitoraggio dell'impianto
Dal luglio 2006 è stata attivata una campagna di monitoraggio, nell'ambito dei controlli nel settore energetico, per verificare l'efficienza energetica del sistema di trigenerazione dell'Ospedale ed evidenziare i risultati energetici ottenuti con la conduzione del nuovo sistema di produzione e distribuzione.
Al fine di effettuare il monitoraggio e il bilancio energetico del sistema di trigenerazione dell'ospedale, è stato installato un modulo di gestione e regolazione digitale, in parallelo al sistema di supervisione esistente, per il telecontrollo dell'impianto.
Sono state effettuate le seguenti misure:
- Gas consumato dal cogeneratore;
- Gas consumato dalle caldaie;
- Portata acqua calda alla centrale termica dal cogeneratore;
- Potenza elettrica prodotta dal cogeneratore;
- Temperatura acqua in ingresso al cogeneratore;
- Temperatura acqua in uscita dal cogeneratore;
- Temperatura acqua collettore di mandata centrale termica;
- Temperatura acqua collettore di ritorno centrale termica;
- Temperatura acqua refrigerata in uscita dall'assorbitore;
- Temperatura acqua refrigerata di ritorno all'assorbitore;
L'andamento dei consumi di energia elettrica negli anni dal 2004 al 2007 evidenzia che il cogeneratore, nel suo funzionamento a regime, riesce a coprire circa il 60% del fabbisogno di energia elettrica dell'ospedale, riducendo di conseguenza l'energia elettrica prelevata da rete.
Confrontando i dati di monitoraggio con i dati delle bollette del gas metano, si può dire che i consumi di gas del cogeneratore rappresentano circa il 63% dei consumi di gas dell'ospedale.
L'aumento nei consumi di gas metano attribuibile al funzionamento del cogeneratore non ha lo stesso peso in termini economici, in quanto il gas consumato da un impianto di cogenerazione gode di una tariffa defiscalizzata per una quota parte pari a 0,25 m³/kWh di energia elettrica prodotta.
Tenendo conto della defiscalizzazione del gas, si ottiene un costo medio dell'energia elettrica prodotta in cogenerazione di circa 0,09 €/kWhe, contro un costo medio dell'energia elettrica prelevata da rete di circa 0,14 €/kWhe.
Dal punto di vista dei costi annuali di gestione della struttura si assiste ad una riduzione nonostante i costi unitari dell'energia siano aumentati negli anni.
Il confronto viene effettuato tra i consumi dell'anno 2004 e quelli dell'anno 2006 in quanto nel 2007 l'impianto di cogenerazione non ha funzionato per quasi metà anno per un difetto di fabbricazione del cogeneratore. Il problema è stato tempestivamente risolto permettendo di nuovo il funzionamento a regime dell'impianto dall'inizio del 2008.
La riduzione dei costi di esercizio è dovuta principalmente al godimento di una tariffa defiscalizzata per una quota parte del gas metano utilizzato dal cogeneratore ed alla riduzione dei consumi di energia primaria. Questa riduzione (-9%) non è così significativa rispetto alla riduzione dei consumi energetici (-15%) in quanto si è verificato negli anni un aumento dei costi medi unitari dell'energia, quantificabile in circa il 30% per il gas metano e in circa il 45% per l'energia elettrica.
NOTE
1 In generale si intende per impianto di cogenerazione - o impianto di produzione di energia elettrica e calore - un impianto costituito da una macchina termica (motore endotermico, turbogas, turbina a vapore, ecc…) che, accoppiata ad un alternatore, produce principalmente energia elettrica e, in cascata, permette di recuperare parte dell'energia termica impiegata per il funzionamento della macchina stessa. Nel caso specifico di un motore endotermico l'energia termica viene recuperata da circuiti di raffreddamento dell'olio e dell'acqua di raffreddamento delle testate (si pensi ai radiatori delle autovetture), dai circuiti intercooler e dai gas di scarico. Mediamente, per un motore endotermico, i gruppi di cogenerazione hanno rendimenti elettrici, in relazione alla potenza della macchina, compresi tra il 35 e il 40% ed il recupero termico si attesta su valori pari al 45% dell'energia termica fornita con il combustibile. L'impianto di trigenerazione si differenzia da quello di cogenerazione unicamente per la possibilità di utilizzare l'energia termica prodotta dal cogeneratore nel periodo estivo cioè quando è minima la richiesta di energia termica, per produrre, tramite un gruppo frigorifero ad assorbimento, energia frigorifera per il condizionamento degli ambienti che trova invece, in questo periodo, il massimo dell'utilizzo.
2 L'assorbitore è una macchina termica che, a differenza delle macchine frigorifere classiche che utilizzano dei compressori alimentati elettricamente (si pensi ai frigoriferi domestici) di differenti tipologie (a pistoni, a vite, centrifughi, ecc..), utilizza energia termica (acqua calda, surriscaldata, vapore, fiamma diretta) per la produzione di energia frigorifera. Questa tipologia di macchine termiche è molto utilizzata nel caso in cui siano disponibili cascami di energia termica derivati da produzioni industriali e da impianti di cogenerazione quando l'energia termica non possa essere completamente utilizzata dal sistema.
La macchina frigorifera ad assorbimento si basa sostanzialmente sulla capacità di un fluido refrigerante (acqua nel caso di soluzione con bromuro di Litio) di andare in ebollizione e quindi evaporare, a pressioni inferiori a quella atmosferica anche a temperature sufficientemente basse (4° C).
Un secondo fluido assorbente (bromuro di litio) è in grado di "assorbire" il vapore d'acqua a bassa pressione riportandola allo stato liquido, dando luogo ad una soluzione facilmente comprimibile che viene fatta rievaporare in condizioni di pressione più elevata suddividendo il solvente (acqua sotto forma di vapore) dal soluto (bromuro di litio) mediante il riscaldamento da parte di una sorgente esterna, per esempio acqua surriscaldata. Un condensatore provvede tramite torri evaporative, a riportare l'acqua allo stato liquido per poter ricominciare il ciclo frigorifero.