Come scegliere i gruppi elettrogeni a gas naturale adatti alla vostra applicazione?

Gruppi elettrogeni a gas naturale si sono affermati come una delle soluzioni di generazione di energia più significative dal punto di vista commerciale e tecnico disponibili per applicazioni residenziali, commerciali, industriali e di pubblica utilità. Bruciando gas naturale anziché diesel o olio combustibile pesante, questi gruppi elettrogeni forniscono energia elettrica con emissioni inferiori, costi di carburante inferiori nella maggior parte dei mercati e una migliore affidabilità della fornitura di carburante attraverso infrastrutture di condutture che non sono soggette alle sfide di stoccaggio, trasporto e contaminazione della logistica dei combustibili liquidi. Per le operazioni che richiedono alimentazione in standby, alimentazione continua o generazione combinata di calore ed elettricità, un gruppo elettrogeno a gas naturale offre una combinazione convincente di prestazioni ed economia che le alternative diesel sempre più spesso non riescono a eguagliare poiché i prezzi del carburante e le normative sulle emissioni continuano ad evolversi.

La conclusione diretta per chiunque valuti i gruppi elettrogeni a gas naturale è questa: per la generazione di energia continua o di prima qualità in cui è disponibile una fornitura di gas naturale, i gruppi elettrogeni a gas naturale forniscono emissioni inferiori, costi di carburante inferiori per kilowattora e costi di manutenzione a lungo termine inferiori rispetto ai gruppi diesel equivalenti, ottenendo allo stesso tempo un'efficienza di produzione elettrica comparabile nell'intervallo di potenza da 20 kW a ben superiore a 10 megawatt per unità. Per le applicazioni standby, gli apparecchi a gas naturale dipendono dall'affidabilità dell'infrastruttura di approvvigionamento del gas, che deve essere valutata per il luogo specifico. Laddove la fornitura di gas è affidabile, il gruppo elettrogeno a gas naturale è la specifica preferita per la maggior parte delle applicazioni di standby permanente e di alimentazione continua. Questo articolo tratta in modo approfondito e pratico la tecnologia, le specifiche prestazionali, le applicazioni e i criteri di selezione dei gruppi elettrogeni a gas naturale.

Come funzionano i gruppi elettrogeni a gas naturale

A Gruppo elettrogeno a gas naturale combina un motore a combustione interna alimentato a gas naturale con un generatore CA sincrono (alternatore) montato su un telaio di base comune, con tutti i sistemi ausiliari necessari per l'avviamento, il controllo, il raffreddamento e il trattamento dei gas di scarico integrati in un unico pacchetto distribuibile. Il motore brucia una miscela di gas naturale e aria nelle sue camere di combustione, convertendo l'energia chimica del gas in energia di rotazione meccanica che aziona l'albero del generatore, che a sua volta produce l'energia elettrica. L'intero gruppo, compreso il motore, il generatore, il pannello di controllo, il radiatore di raffreddamento e la cabina insonorizzante, ove specificato, costituisce il pacchetto del gruppo elettrogeno.

Tipi di motori utilizzati nei gruppi elettrogeni a gas naturale

I gruppi elettrogeni a gas naturale sono prodotti con due tipi principali di motore e la scelta tra di essi ha implicazioni significative in termini di efficienza, potenza e idoneità all'applicazione:

• Motori a gas con accensione a scintilla (ciclo Otto): Il tipo di motore standard per i gruppi elettrogeni a gas naturale. Il gas naturale, essendo un combustibile gassoso, non può essere acceso per compressione come il diesel perché non si autoaccende ai rapporti di compressione utilizzati nei motori a gas pratici. Invece, la miscela aria-carburante viene accesa da una candela nel punto ottimale della corsa di compressione. I moderni motori a gas con accensione a scintilla utilizzano la tecnologia di combustione a combustione magra, in cui il rapporto aria-carburante è significativamente maggiore di quello stechiometrico (tipicamente lambda da 1,6 a 2,0 o superiore), che riduce le temperature di picco di combustione, abbassa le emissioni di NOx e migliora l'efficienza termica. I motori a gas premium a combustione magra raggiungono efficienze elettriche dal 40 al 45% a pieno carico nella gamma di potenza da 500 kW a 10 MW, che è direttamente paragonabile ai moderni motori diesel e significativamente migliore dell’efficienza del 30-35% tipica dei vecchi motori a gas stechiometrici.
• Motori ad accensione pilota (doppia alimentazione): I grandi motori a gas naturale, in particolare nella gamma dei megawatt, a volte utilizzano una piccola quantità di carburante diesel (l'iniezione pilota) per accendere una miscela di aria prevalentemente di gas naturale in ciascun cilindro. Il pilota diesel fornisce una fasatura di accensione affidabile e precisa nei cilindri di grande diametro dove la portata e l'affidabilità delle candele sono più impegnative rispetto ai motori più piccoli. I motori a doppia alimentazione offrono la flessibilità aggiuntiva di poter funzionare solo con il diesel in caso di interruzione della fornitura di gas, al prezzo di una maggiore complessità meccanica e della necessità di mantenere una fornitura di carburante diesel insieme a quella del gas.

Il componente generatore

Il generatore CA sincrono in un gruppo elettrogeno a gas naturale converte la rotazione meccanica dell'albero motore in energia elettrica CA trifase alla tensione e alla frequenza specificate per l'applicazione (tipicamente 400 V o 11 kV a 50 Hz nei mercati europei e asiatici e 480 V o 13,8 kV a 60 Hz nei mercati nordamericani). Il design del generatore, la classe di isolamento e il metodo di raffreddamento sono adeguati alla potenza in uscita e all'applicazione del set. I generatori brushless e autoeccitanti con regolatori di tensione digitali (AVR) mantengono la tensione di uscita entro ±1% del setpoint nell'intero intervallo di carico e negli eventi di carico transitori, che è la specifica richiesta per la compatibilità con i carichi elettronici più sensibili, inclusi server, motori con azionamenti a frequenza variabile e apparecchiature mediche.

Considerazioni sulla fornitura di combustibile per i gruppi elettrogeni a gas naturale

L'affidabilità operativa di un gruppo elettrogeno a gas naturale dipende fondamentalmente dall'affidabilità e dalla qualità della fornitura di carburante e il sistema di alimentazione del carburante deve essere progettato correttamente come parte integrante dell'installazione del gruppo elettrogeno. Il gas naturale viene fornito ai gruppi elettrogeni attraverso una delle tre fonti di alimentazione primarie, ciascuna con diverse implicazioni in termini di affidabilità, pressione e installazione:

• Gasdotto per il gas naturale: La fonte di approvvigionamento più comune per installazioni permanenti nelle zone servite da infrastrutture di distribuzione del gas. Il gas della conduttura viene erogato alla pressione di distribuzione (tipicamente da 20 a 200 mbar al confine della proprietà nel Regno Unito, o da 0,25 a 2 bar nelle reti di fornitura industriali) e richiede una stazione di regolazione della pressione per ridurre e stabilizzare la pressione di alimentazione per i requisiti del sistema di alimentazione del motore (tipicamente da 20 a 100 mbar all'ingresso del carburante del motore per motori a combustione magra con accensione a scintilla). La fornitura di gas tramite gasdotti ha un’affidabilità molto elevata nei mercati sviluppati, con una disponibilità annuale tipicamente superiore al 99,9% nelle aree urbane e suburbane.
• Gas naturale compresso (GNC): Per i luoghi senza accesso alle condutture del gas, il gas naturale può essere fornito in forma compressa in bombole ad alta pressione o pacchi di bombole montati su rimorchio a pressioni fino a 250 bar, richiedendo un treno di riduzione della pressione per portare il gas alle condizioni di ingresso del carburante del motore. La fornitura di metano è pratica per installazioni remote a medio termine e fornisce una valida alternativa al diesel in luoghi in cui la logistica della fornitura di diesel è impegnativa.
• Gas naturale liquefatto (GNL) e gas di petrolio liquefatto (GPL): Il GNL può essere immagazzinato in loco in serbatoi criogenici e vaporizzato per alimentare gruppi elettrogeni in luoghi lontani dalle infrastrutture delle condutture. Il GPL (propano o butano) fornisce un combustibile gassoso alternativo con caratteristiche di combustione simili al gas naturale e può essere utilizzato in gruppi elettrogeni opportunamente convertiti dove il gas naturale non è disponibile. Sia il GNL che il GPL richiedono apparecchiature specializzate per lo stoccaggio, la vaporizzazione e la regolazione della pressione.

Confronto di prestazioni, emissioni ed efficienza

I vantaggi prestazionali dei gruppi elettrogeni a gas naturale rispetto alle alternative diesel si vedono più chiaramente quando si confrontano i parametri operativi chiave con potenze nominali equivalenti. La tabella seguente presenta un confronto dei dati prestazionali tipici dei moderni gruppi elettrogeni diesel e a gas naturale nella gamma di potenza compresa tra 500 kW e 2 MW.

Principali applicazioni per gruppi elettrogeni a gas naturale

Gruppo elettrogeno a gas naturales servire un'ampia gamma di applicazioni di generazione di energia in più settori e la configurazione specifica, la potenza nominale e i sistemi ausiliari richiesti dipendono dal ruolo per cui il gruppo elettrogeno è progettato:

• Sistemi combinati di calore ed elettricità (CHP): Conosciuti anche come cogenerazione, i sistemi CHP catturano il calore di scarto dal sistema di raffreddamento del motore del gruppo elettrogeno e dai gas di scarico per produrre acqua calda o vapore per il riscaldamento degli ambienti, il riscaldamento di processo o il raffreddamento ad assorbimento. L’efficienza totale di utilizzo dell’energia di un impianto di cogenerazione ben progettato che utilizza un gruppo elettrogeno a gas naturale raggiunge l’80-90%, rispetto al 38-44% della sola generazione di elettricità, riducendo drasticamente il costo energetico delle strutture che hanno richieste simultanee di calore ed energia come ospedali, hotel, università, impianti di trasformazione alimentare e reti di teleriscaldamento.
• Generazione di energia continua e primaria: Nelle regioni o nelle strutture in cui la connessione alla rete non è disponibile, inaffidabile o troppo costosa da realizzare, i gruppi elettrogeni di gas naturale forniscono energia continua a strutture industriali, comunità remote, operazioni minerarie e siti di produzione di petrolio e gas dove il gas naturale può essere disponibile come sottoprodotto della produzione. I gruppi elettrogeni a gas naturale Prime Power sono specificati per il funzionamento continuo alla potenza nominale o quasi, 24 ore al giorno, 365 giorni all'anno, e sono progettati con struttura robusta, capacità di raffreddamento e intervalli di manutenzione adeguati a questo compito.
• Alimentazione di standby e di emergenza: Edifici commerciali, data center, strutture sanitarie, impianti di trattamento dell'acqua e altre infrastrutture critiche utilizzano gruppi elettrogeni di gas naturale come fonte di energia di riserva primaria per le interruzioni della fornitura di rete. I set di standby a gas naturale offrono i vantaggi di non richiedere alcuno stoccaggio del carburante in loco (eliminando il rischio di incendio, le normative sullo stoccaggio e i problemi di degrado del carburante associati allo standby del diesel) fornendo allo stesso tempo tempi di avvio da 10 a 30 secondi dalla modalità standby all'accettazione a pieno carico, che soddisfa i requisiti di trasferimento automatico della maggior parte degli standard di alimentazione di emergenza degli impianti.
• Produzione di energia elettrica da gas di discarica e biogas: I gruppi elettrogeni di gas naturale possono essere adattati per funzionare con biogas proveniente da discariche, digestori anaerobici per il trattamento delle acque reflue, digestori di rifiuti agricoli e processi di biogas industriale. Il biogas contiene tipicamente dal 45 al 65% di metano in volume, con anidride carbonica e tracce di contaminanti che costituiscono il resto. I gruppi elettrogeni configurati per il servizio di biogas utilizzano motori con rapporti di compressione regolati, fasatura di accensione e componenti del sistema di alimentazione ottimizzati per il potere calorifico inferiore e la composizione variabile del biogas e possono includere apparecchiature di condizionamento del gas per rimuovere l'umidità e l'idrogeno solforato che danneggerebbero i componenti del motore nel biogas non trattato.

Selezione e specifica dei gruppi elettrogeni a gas naturale

Selezionando quello corretto Gruppo elettrogeno a gas naturale per un'applicazione specifica richiede una valutazione sistematica di diversi fattori tecnici e commerciali interconnessi che determinano se il set selezionato funzionerà in modo affidabile, soddisferà i requisiti normativi e fornirà il ritorno economico atteso durante la sua vita utile.

1. Potenza nominale e classificazione del servizio: La potenza nominale di un gruppo elettrogeno deve essere specificata per il servizio corretto: potenza nominale in standby (SPR) per i gruppi utilizzati solo durante le interruzioni della rete; Prime Power Rating (PPR) per i set utilizzati come fonte di alimentazione primaria con ore di funzionamento illimitate; e potenza nominale continua (CPR) per i set che forniscono una potenza di carico base costante. La potenza nominale in standby di un gruppo elettrogeno è in genere superiore del 10-15% rispetto alla potenza nominale primaria per la stessa configurazione del motore poiché il funzionamento in standby limita il gruppo a un massimo di 500 ore all'anno con questa potenza nominale, mentre la potenza nominale primaria e continua deve essere sostenuta indefinitamente. Specificare un apparecchio con la potenza di standby per il funzionamento continuo è un errore comune e grave che porta all'usura prematura del motore e alla riduzione della durata.
2. Declassamento per altitudine del sito e temperatura ambiente: La potenza erogata da un motore a gas diminuisce con l'aumentare dell'altitudine (ridotta densità dell'aria) e con l'aumento della temperatura ambiente (ridotta densità dell'aria e aumento della richiesta di raffreddamento). I produttori di motori pubblicano curve di declassamento per altitudine e temperatura che devono essere applicate alla potenza nominale per determinare la potenza effettiva disponibile nel sito di installazione. Per un gruppo elettrogeno installato a 1.500 metri sopra il livello del mare in un clima in cui la temperatura ambiente raggiunge i 40 gradi Celsius, la potenza declassata può essere inferiore del 15-25% rispetto al valore nominale della targa e questo deve essere tenuto in considerazione nel calcolo del dimensionamento iniziale.
3. Requisiti di conformità sulle emissioni: Le installazioni di motori a gas sono soggette a limiti di emissione che variano in base alla giurisdizione, alle dimensioni dell'installazione e al profilo delle ore di funzionamento. Le installazioni europee superiori a 1 MW sono generalmente soggette ai limiti di emissione della Direttiva sugli impianti di combustione medi (MCPD) per NOx, CO e carbonio organico totale, mentre le installazioni in zone con aria pulita o vicino ad aree residenziali possono essere soggette a limiti locali più severi. La selezione del motore deve confermare che le prestazioni certificate in materia di emissioni del motore soddisfano i requisiti normativi applicabili per il sito specifico e il profilo operativo, inclusi eventuali requisiti per il post-trattamento di riduzione catalitica selettiva (SCR) per raggiungere i limiti di NOx che il motore da solo non può soddisfare.
4. Requisiti del livello sonoro e della custodia acustica: I gruppi elettrogeni a gas naturale producono un rumore meccanico e di combustione significativo proveniente dal motore, dalla ventola di raffreddamento e dal sistema di scarico. I livelli sonori installati devono essere conformi alle normative ambientali e di pianificazione locale al confine del sito e presso il recettore sensibile al rumore più vicino. Il fornitore del gruppo elettrogeno può fornire il gruppo in una tettoia acustica o in una cabina acustica appositamente costruita che attenua il rumore al livello richiesto, e la progettazione della cabina deve affrontare sia il rumore irradiato direttamente dal motore sia il rumore trasmesso dalla struttura attraverso le fondazioni e la struttura dell'edificio.

I gruppi elettrogeni a gas naturale rappresentano uno degli investimenti nella generazione di energia più efficaci ed economicamente giustificabili disponibili nel mercato energetico odierno, in particolare per le applicazioni in cui la combinazione di costi inferiori del carburante, emissioni inferiori, intervalli di manutenzione più lunghi e il potenziale di recupero del calore dalla cogenerazione può essere pienamente realizzata. Un'accurata valutazione del sito, una corretta classificazione del servizio, il rispetto delle normative sulle emissioni e sul rumore e l'allineamento con l'infrastruttura di fornitura di gas naturale del luogo sono le basi di una specifica di successo del gruppo elettrogeno che offre le prestazioni e i costi attesi per tutta la vita utile del set.