Turbine a gas piccole, a basso costo e altamente efficienti forniscono all’industria delle utility una tecnologia di quarta generazione che presenta numerosi vantaggi e applicazioni potenziali. Queste includono l’energia costante per le comunità isolate, i centri commerciali e le industrie; la riduzione dei picchi per i sistemi di utilità per ridurre il costo incrementale dei carichi aggiuntivi; la riduzione dei picchi per i grandi stabilimenti commerciali e industriali per ridurre gli oneri della domanda, così come la potenza di standby, di emergenza e il gruppo di continuità (UPS).
Turbina track record
È importante riconoscere che i piccoli generatori a turbina a gas non sono una nuova tecnologia ma sono stati sviluppati per l’industria dei servizi elettrici sulla base della tecnologia che è supportata da più di 25 anni di esperienza sul campo. I generatori discussi in questo articolo sono stati sviluppati da International Power and Light in associazione con Allison Engine Co. Ltd. (una divisione di Rolls Royce plc) e General Electric Co. Allison svilupperà i generatori a turbina, e General Electric progetterà i controlli e l’inverter e sarà responsabile dell’ingegneria del sito dell’unità, dell’installazione e della manutenzione sul campo.
I piccoli motori a turbina a gas furono inizialmente sviluppati da Allison negli anni 60 per il trasporto terrestre. La prima grande prova sul campo è iniziata nel 1971 con l’installazione dei motori a turbina Allison GT404 in sei autobus Greyhound. I motori a turbina da 310 CV erano descritti come un tipo a due stadi, con un sistema a doppio rigeneratore che riciclava il calore dal percorso del gas per preriscaldare l’aria in entrata, mentre raffreddava lo scarico a non più di 500 – 600 F. L’unità di potenza non richiedeva alcun sistema di raffreddamento ad acqua, aveva la metà delle parti mobili di un motore diesel e aveva una vita di più di 500.000 miglia tra una revisione e l’altra.
Nel 1978, questi sei autobus di prova avevano percorso più di 1 milione di miglia, e il motore a turbina era considerato dalla direzione della Greyhound come una svolta tecnica per il trasporto interurbano in autobus.1
Nel 1976, Allison iniziò lo sviluppo di un generatore alimentato dalla turbina GT 404 per fornire energia al set di radar e alla stazione di controllo del sistema missilistico Patriot dell’esercito americano. Gli obiettivi principali di questo programma includevano il posizionamento di due gruppi elettrogeni da 150 kW che fornivano il 100% di backup in un unico contenitore da trasportare su un camion da 5 tonnellate dell’esercito. Altri obiettivi includevano la riduzione al minimo del consumo di carburante mediante l’uso di due rigeneratori a dischi ceramici rotanti e lo sviluppo di una capacità affidabile e multicarburante senza regolazioni. Nel 1978, Allison ha iniziato la progettazione, lo sviluppo e la costruzione di cinque gruppi elettrogeni a turbina con specifiche militari per i test sul campo. I gruppi generatori completati sono stati testati presso le strutture di Aberdeen, Belvoir, Elgin e White Sands con questi risultati:
z Il consumo di carburante è stato ridotto da 48 a 16 galloni all’ora rispetto ai generatori precedenti.
z È stata ottenuta una stabilità di frequenza dello 0,1% al carico nominale.
z L’avviamento ad albero libero a meno 50 F è stato realizzato senza riscaldatori.
z La capacità multi-carburante è stata dimostrata su diesel, JP e benzina.
z Tutti i requisiti di affidabilità sono stati soddisfatti.
z Gli standard di livello sonoro inferiori a 90 dBA sono stati soddisfatti.
Nel dicembre 1981, Allison ha consegnato un ordine iniziale di 200 gruppi elettrogeni all’esercito americano. Ad oggi sono stati consegnati più di 2.000 gruppi elettrogeni per il sistema Patriot, che è stato impiegato durante la guerra del Golfo. Questi generatori hanno registrato più di 1 milione di ore di funzionamento senza grossi problemi.2
Caratteristiche della microturbina
La turbina ha un singolo albero rotante con il generatore, il compressore d’aria e la turbina montati su cuscinetti ad aria, quindi non è necessaria la lubrificazione. La centrale è raffreddata ad aria, con l’aria portata attraverso un ingresso per raffreddare il generatore. L’aria viene poi compressa prima di essere convogliata attraverso il rigeneratore nella camera di combustione. Il rigeneratore è un disco di ceramica che ruota lentamente davanti allo scarico e all’ingresso della camera di combustione. Il disco è riscaldato dal gas di scarico caldo, che aumenta la temperatura dell’aria compressa in entrata, migliorando ulteriormente l’efficienza del carburante. La velocità dell’albero è di circa 80.000 rpm, con il generatore che fornisce ac ad alta frequenza. L’elettronica di potenza installata converte l’ac in dc, con un inverter dc che fornisce 480 V, trifase, 60 Hz o 230/400 V, trifase, 50 Hz.
Le piccole dimensioni e il peso dei generatori a turbina a gas mostrati nella tabella 1 permettono a un’utility di installare tali unità in quasi ogni luogo. Tutte le unità che hanno bisogno di manutenzione o riparazione possono essere sostituite sul sito di generazione e portate in un negozio centrale; anche l’unità da 250 kW può essere trasportata in un camioncino. A scopo di confronto, le dimensioni e i pesi delle tipiche unità diesel da 50 e 250 kW sono inclusi nella Tabella 1. Per questi tipi di impianti, la tabella 2 fornisce una stima dei costi di acquisto e di installazione per kW. Inoltre, le operazioni sono semplici poiché gli impianti sono completamente gestibili da un centro operativo centrale tramite qualsiasi collegamento di comunicazione bidirezionale, oppure possono essere monitorati e controllati localmente. Basse spese di manutenzione e revisione – meno di 0,005 dollari per kWh, che includono una revisione importante ogni 30.000 ore o approssimativamente ogni tre o quattro anni – sono altre caratteristiche della centrale a microturbine.
Applicazioni dell’impianto
Sono stati sviluppati due casi di studio di potenza costante con questa tecnologia. Il caso 1 si basa su un carico di 250 kW con sei generatori da 50 kW e il caso 2 si basa su un carico di 750 kW con quattro generatori da 250 kW. In ogni caso, i fattori di carico annuale sono 52 e 100 per cento. I costi annuali stimati e i costi per kWh sono riassunti nella tabella 3. L’energia ferma a meno di 5 centesimi per kWh da gruppi multipli alimentati a gas naturale è ovviamente competitiva con la maggior parte dell’energia dai generatori della stazione centrale consegnata attraverso le tradizionali strutture di trasmissione e distribuzione. Il costo dell’energia per i casi precedenti sale a poco più di 0,09 dollari per kWh, con il gasolio a 0,85 dollari per gallone, che è ancora competitivo in molte aree.
L’efficienza delle piccole turbine a gas che forniscono solo energia ferma si avvicina al 30%. Questa efficienza può essere aumentata al 75 per cento come progetto di cogenerazione utilizzando il calore di scarico per il riscaldamento dell’acqua, la refrigerazione o il raffreddamento ad assorbimento, il riscaldamento degli spazi e la lavorazione industriale. Come applicazione di cogenerazione, il progetto può essere economicamente fattibile, anche con combustibili più costosi come il diesel.
Piccoli generatori a turbina a gas permettono ai servizi pubblici di ridurre economicamente i picchi e allo stesso tempo fornire capacità per le emergenze. Questo può aumentare l’efficienza complessiva del sistema, che ridurrà gli investimenti nella generazione tradizionale, nella trasmissione di massa e nelle strutture di distribuzione. La riduzione dei picchi permette anche a un’azienda di servizio pubblico di servire la crescita incrementale del carico in aree in cui c’è una carenza di capacità di sottostazione e/o di alimentazione di distribuzione. L’esempio nella tabella 4 fornisce una stima dei costi annuali per installare un generatore a turbina da 250 kW e fornire carburante e manutenzione per far funzionare l’unità ogni giorno per tre ore.
Questo costo può essere confrontato con la gestione della domanda (DSM). Le esperienze di costo annuale di una grande utility del nord-est per installare e far funzionare un sistema DSM per controllare gli scaldabagni, l’aria condizionata e il riscaldamento degli ambienti sono riassunte nella tabella 5 e confrontate con il costo di picco di una turbina a gas.3
Le piccole turbine possono fornire un risparmio di picco per il 30-50% del costo del DSM ed eliminare i problemi associati al controllo degli apparecchi dei clienti. Inoltre, i piccoli generatori vicino ai centri di carico possono anche fornire energia di emergenza. Le società di servizi devono studiare l’impatto reale sulle operazioni di sistema della riduzione dei picchi con la generazione distribuita. Tuttavia, i risparmi potenziali sono certamente sufficienti a giustificare uno studio approfondito.
Considerazioni sui clienti
Ogni azienda di servizi pubblici ha addebiti sulla domanda per i suoi principali clienti commerciali e industriali. I piccoli generatori a turbina possono essere applicati da o per questi clienti per ridurre gli oneri della domanda. La tabella 6 fornisce i costi per un cliente con 250 kW di carico di picco con due diversi oneri di domanda. Le piccole centrali a turbina a gas sono scelte ideali per l’UPS e l’alimentazione di emergenza in standby a causa del loro basso costo iniziale, dei requisiti minimi di manutenzione e dell’alto livello di affidabilità. Le centrali possono essere installate come generatori individuali o possono essere organizzate in gruppi multipli per fornire il livello di potenza richiesto dai carichi.
Quando viene utilizzato per il servizio di standby, un piccolo impianto a turbina potrebbe essere collegato ai circuiti di distribuzione per servire i carichi di emergenza, come le sale operatorie degli ospedali, le strutture di cura critica, le luci di emergenza, le comunicazioni, i frigoriferi, i congelatori, gli ascensori, i sistemi di sicurezza e i registratori di cassa. Il controllo elettronico della centrale monitora costantemente il servizio fornito dalla fonte di alimentazione principale.
Se il servizio viene interrotto, il controllo fa sì che i circuiti secondari vengano scollegati dalla fonte di alimentazione principale e collegati alla centrale. La centrale viene avviata tramite la batteria del sistema, e la centrale fornisce energia ai circuiti secondari fino a quando non viene ripristinata l’alimentazione del servizio centrale. z
Autore:
Walter G. Scott, P.E., ha ricevuto la laurea in scienze e il master in ingegneria elettrica dall’Università dell’Arizona. È un membro anziano dell’Institute of Electrical and Electronics Engineers (IEEE), un membro della National Society of Professional Engineers e un ingegnere professionista registrato in Arizona, Michigan, Missouri e Ohio. Questo documento è stato originariamente presentato alla Conferenza IEEE Rural Electric del 1997, 20-22 aprile, a Minneapolis, Minn.
1 R. Rose, “Aggiornamento e commercializzazione della turbina a gas per impieghi pesanti: Gas Turbine Transit Bus Demonstration Program,” Symposium on Automotive Propulsion Systems, Dearborn, Mich., ottobre 1980.
2 S.C. Laux, Allison Gas Turbine Division & R.N. Ware, U.S. Army, “Application of a Vehicular Designed, Heavy-Duty Gas Turbine Engine to a Military Generator Set,” Paper 85-GT-125, Association of Mechanical Engineers Gas Turbine Expo, Houston, Texas, March 18-21,1985.
3 H. Lee Willis e Rackliffe, G.B., “Introduction to Integrated Resource T&D Planning,” pubblicato da ABB Power T&D Co, 1984.
Hai trovato interessante questo articolo?
Sì: Cerchio 308 No: Cerchio 309
Le microturbine a gas creano opportunità di mercato
Di Walter G. Scott, International Power and Light
Gli impianti di potenza tra i 25 e i 250 kW permetteranno alle utility, agli IPP e alle ESCO di fornire energia economica per una varietà di applicazioni
I piccoli motori a turbina a ciclo rigenerativo furono inizialmente sviluppati da Allison Engine Co. negli anni ’60 per applicazioni di trasporto terrestre. Oggi, l’azienda sta lavorando con International Power e General Electric per sviluppare turbine a gas da 50 e 250 kW per la produzione di energia. Nella foto Don Frazier (a sinistra), vice project manager di Allison, e Duyane Parsons (a destra), caporeparto, con un derivato automobilistico da 40 kW di un motore a turbina a gas.
