La Cogenerazione
•
•
•
Unità di misura
unità di misura dell’energia del Sistema Internazionale: il Joule
ancora molto usate sono: kilocaloria (kcal), British Thermal Unit (BTU), kilowattora (kWh) ed i
loro multipli. La caloria, definita come la quantità di energia necessaria per innalzare di un
grado centigrado 1 grammo di acqua distillata, è uguale a 4,186 J (altre equivalenze: 1 BTU =
1.055 Joule; 1 kWh = 3.600.000 J = 860 kcal)
per fare, poi, dei bilanci energetici che tengano conto dell’apporto di diverse fonti, ognuna di
esse, a partire dai diversi poteri calorifici inferiori (p.c.i.), viene convertita in una unità di misura,
commerciale, di uso generale: la tonnellata equivalente petrolio (tep) o il suo multiplo milioni di
tep (Mtep). A volte si fa riferimento ad un’altra unità: il barile di petrolio (bep); dove 1 barile =
159 lt = 0,137 ton)
I numeri dell’energia
•
•
•
1 tep - (toe-tonn of oil equivalent) corrisponde all’energia termica sviluppata da una tonnellata di
petrolio, che è di circa 10 milioni di kcal
1 tep = 10 * 106 kcal = 11.628 kWh termici, ovvero 4.545 kWh elettrici
1 Mtep = 11,628 miliardi di kWh termici, ovvero 4,55 miliardi di kWh elettrici
Definizione
• Si definisce cogenerazione la generazione
combinata di energia termica e di energia elettrica
o meccanica.
• La produzione avviene contemporaneamente e in
un sistema integrato.
• Si ottengono consistenti valori di risparmio di
energia primaria rispetto alla produzione separata.
La Cogenerazione - Principi
La Cogenerazione - Principi
Gli impianti CG utilizzano i seguenti motori primi:
• motori endotermici
• turbine a gas
• turbine a vapore
• celle a combustibile e FER
• cicli combinati
La Cogenerazione - Principi
Potenza elettrica
Tecnologia
Pe < 1 MW
Motori, Celle e FER, Turbogas
1 MW < Pe < 10 MW
Motori, Turbogas, Turbovapore
Pe > 10 MW
Turbogas, Turbovapore, CC
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I combustibili utilizzabili sono:
• gas naturale
• biomasse
• biogas
• bioetanolo
• residui solidi urbani
• carbone
• olio diatermico
La Cogenerazione - Principi
8
La Cogenerazione - Principi
Per ottenere la stessa quantità di energia elettrica
e calore
• necessita circa il 30 % in meno di energia
primaria
• migliora il rendimento complessivo (forte
diminuzione delle perdite)
• diminuisce l’emissione di agenti inquinanti in
atmosfera
9
La Cogenerazione - Principi
10
La Cogenerazione - Principi
La Cogenerazione - Principi
12
La Cogenerazione - Principi
Per essere assimilato a FER un impianto CG deve
avere l’indice Ien= Ee/Ec + (1/0,9 * Et/Ec) – a
=> 0,51.
• Ee = energia elettrica utile prodotta – energia
ausiliari
• Et = energia termica utile prodotta
• Ec = energia utile introdotta con il combustibile
• a = (1/0,51-1) * (0,51 – Ee/Ec)
13
La Cogenerazione - Principi
Sino al 31 dicembre 2010 i criteri per il riconoscimento della
“cogenerazione ad alto rendimento” sono quelli indicati nella delibera
AEEG 42/02 (e successivi aggiornamenti), e fanno riferimento al
calcolo dell’IRE (indice di risparmio energetico) e del LT (limite
termico), definiti come :
Es  Ec
Ec
Ec
IRE 
 1
 1
 1
Es
Es
Ees  Ets
Ec
Et civ
Et ind
Ee


p es ts civ ts ind
Et
LT 
Et  E e
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La Cogenerazione - Principi
Dove:
• Es=Ees+Ets è l’energia primaria da combustibile fossile per la
generazione separata (“s”) di elettricità e di calore per mezzo di due
impianti distinti;
• Ee è l’energia elettrica netta generata dall’impianto di cogenerazione
mentre Et (Etciv+Etind) è l’energia termica netta utile generata
dall’impianto di cogenerazione;
• Ec rappresenta l’energia primaria riferita al potere calorifico inferiore
del combustibile consumato dall’impianto di cogenerazione;
• es è il rendimento elettrico di riferimento per la generazione elettrica
separata, mentre ts è il rendimento termico di riferimento per la
generazione termica separata;
• p è un coefficiente correttivo che tiene conto delle minori perdite
sulla rete di trasmissione solitamente associate agli impianti di
cogenerazione;
15
La Cogenerazione - Principi
Taglia in Mwe per
determinare es
1
> 1 -  10
> 10 -  25
> 25 -  50
> 50 -  100
> 100 -  200
> 200 -  300
> 300 -  500
>500
Gas naturale,
GPL, gasolio
Olio combustibile
Nafta
Combustibili
solidi fossili,
coke di petrolio
Rifiuti organici e
inorganici
Biomasse
Tar di raffineria
0,40
0,35
0,33
0,23
0,35
0,41
0,36
0,34
0,25
0,35
0,44
0,38
0,36
0,27
0,35
0,48
0,39
0,37
0,28
0,35
0,50
0,39
0,37
0,28
0,35
0,51
0,39
0,37
0,28
0,35
0,53
0,39
0,37
0,28
0,40
0,55
0,41
0,39
0,28
0,40
0,55
0,43
00,43
0,28
0,40
La Cogenerazione - Definizione
 L’indice IRE rappresenta il rapporto tra il risparmio di energia primaria
conseguito dall’impianto di cogenerazione (rispetto alla produzione separata
delle stesse quantità di energia elettrica e calore) e l’energia primaria
richiesta dalla produzione separata.
 La Delibera AEEG 42/02 stabilisce le condizioni per il riconoscimento
della produzione combinata di energia elettrica e calore come
cogenerazione ai sensi dell’articolo 2, comma 8, del decreto legislativo 16
marzo 1999, n. 79. Stabilisce anche dei valori minimi per IRE e LT che
sono:
IRE => IREmin che per le sezioni di nuova realizzazione è pari a 0.1(10%)
LT => LTmin che per le sezioni alimentate a gas naturale, GPL o gasolio,
dal 1 gennaio 2006 al 31 dicembre 2007, è pari a 0.330(33%) fino a 10
Mwe di taglia.
La Cogenerazione - Definizione
IMPIANTO
RENDIMENTO
Centrale Elettrica
40 – 45 % o 55 – 60 % se CC
Centrale Termica
80 – 92 %
Impianto cogenerativo
70 – 85 % ( ee 30 – 35 % )
La Cogenerazione - Utilità



Avere disponibilità simultanea di energia termica
ed elettrica o meccanica.
Utilizzo ottimale dell'energia termica disponibile,
anche per i piccoli impianti.
Utilizzo dell’energia termica anche nel periodo
estivo per avere energia frigorifera.
La Cogenerazione – Corretto utilizzo
Parametri per un corretto dimensionamento
tecnico - economico:
• andamento dei carichi termici ed elettrici
• tariffe dell’elettricità e del combustibile
• ore di utilizzo annue
• costi di investimento e di gestione
La Cogenerazione - Utilità
• Punto di partenza: costo energia autoprodotta
(consumo specifico netto combustibile e costo
combustibile stesso)
• Ricavo: differenza tra costo energia acquistata
(elementi tariffari: corrispettivi fissi per potenza
impegnata e fasce orarie) e costo energia
prodotta (consumi e costi accessori), numero
delle ore previste e quelle effettivamente
realizzate
• Confronto con i costi di investimento
(macchinari, opere civili-differenza con impianto
tradizionale)
La Cogenerazione - Utilità
Acqua
Acqua preriscaldata
Caldaia
Vapore
Combustibile
Vapore alla utenza
T
V
Generatore
La Cogenerazione – Ciclo con turbina a vapore
Acqua di alimento
CaR
Gas
Combustibile
vapore
CC
TG
Generatori
EE
T
V
Aria
C
Vapore
La Cogenerazione – Ciclo combinato
La Cogenerazione – Motori
1000 kWe
330 kWe
La Cogenerazione – Motori
Turbina centrifuga
La Cogenerazione – Macchine centrifughe
Turbocompressore assiale
La Cogenerazione – Turbogas assiali
La Microcogenerazione
La Microcogenerazione
• Impianti cogenerativi aventi potenze elettriche
nominali < 1 MWe
• Più specificatamente sono quegli impianti di
piccola e piccolissima taglia aventi potenze
elettriche fino a 200 - 300 kWe
• Soddisfano esigenze di tipo locale
• Sono progettati prioritariamente per produrre
calore
La Microcogenerazione - Definizione
• L’intero autoconsumo dell’energia termica e di
quella elettrica rende conveniente questa
tecnologia
• Eventuali
sovrarichieste
possono
essere
prodotte con caldaie da integrazione o con
l’allacciamento alla rete elettrica
• Utilizzo minimo di 3000 – 4000 ore anno
• Ritorno dell’investimento in circa 4-5 anni
30
La Microcogenerazione - Definizione
• Mancanza
di perdite
significative nella
distribuzione del calore e dell’energia elettrica
(consumo in loco)
• Non è necessario realizzare edifici centrale
• La sua diffusione contribuisce alla nascita di
piccole e piccolissime aziende dedicate alla
progettazione – realizzazione - gestione e
manutenzione di questi impianti
31
La Microcogenerazione - Definizione
La microcogenerazione risulta idonea nelle
seguenti applicazioni:
• centri residenziali,
• centri commerciali,
• piccole industrie, imprese artigiane
• ospedali,
• hotel,
• piscine,
• scuole e collegi,
• edifici pubblici.
32
La Microcogenerazione - Applicazioni
Per impianti di piccola e piccolissima taglia le
macchine più utilizzate sono:
• Motori di piccola taglia
• Microturbine a gas
• Celle a combustibile
• Altre tecnologie (solare termodinamico?)
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La Microcogenerazione – Tecnologie
La Microcogenerazione – Turbogas
Pe
Pt
CH4
Re
Rt
Rc
kWe
kWt
mc/h
%
%
%
30
62
13
26
49
75
60
127
25
25
53
78
80
154
30
28
54
82
100
167
36
30
48
78
La Microcogenerazione – Caratteristiche
•
•
•
•
Motore Stirling
Si tratta essenzialmente di una camera piena di
gas con due pistoni.
Un lato della camera è costantemente riscaldata,
mentre l'altro è costantemente tenuto freddo.
L'espansione del gas determinata dal calore è
tale da spingere il primo dei due pistoni che
muove un albero a gomiti che a sua volta mette
in azione un generatore che produce elettricità.
Il gas caldo, poi, viene mosso dal movimento del
pistone nella zona fredda della camera, dove si
comprime e viene spostato nuovamente nella
zona calda dal movimento del secondo pistone.
La Microcogenerazione – Il motore Stirling
• Questo tipo di motore, a ciclo chiuso e a
combustione esterna, raggiunge efficienze del
cinquanta per cento e oltre.
• È molto più silenzioso, perché non c'è nessun
tipo di esplosione e di facile manutenzione.
• Si può usare il calore del sole al posto dei
combustibili tradizionali per riscaldare la camera,
cosa che eliminerebbe anche ogni emissione
inquinante.
La Microcogenerazione – Il motore Stirling
Il pistone in basso spinge l'aria verso il pistone in alto, che quindi si sposta, lasciando entrare l'aria
l'aria si scalda, si espande,e quindi "torna" indietro verso il pistone in basso, che quindi si sposta;
La Microcogenerazione – Il motore Stirling
lo spostamento del pistone in basso fa arrivare l'aria calda a contatto col dissipatore di calore, che
quindi si raffredda, e di conseguenza si contrae, facendo spostare verso destra il pistone in alto;
La Microcogenerazione – Il motore Stirling
lo spostamento verso destra del pistone in alto, aiutato dall'inerzia accumulata dal volano, fa sì che
il perno, continuando a girare, faccia abbassare il pistone inferiore, spingendo di nuovo l'aria verso il
pistone in alto, e il ciclo ricomincia.
40
La Microcogenerazione – Il motore Stirling
La Microcogenerazione – Il motore Stirling
•
•
•
•
•
CELLE A COMBUSTIBILE
Celle
a
combustibile
(FC):
generatori
elettrochimici dotati di alta efficienza di
conversione elettrica;
Basse emissioni inquinanti (CO2, NOx, …):
infatti H2 + 1/2 O2 ↔ H2O ;
Adattabilità di taglia (grazie alla modularità);
Continuità dell’erogazione di corrente (a
differenza delle normali batterie);
Varie tecnologie in fase di sviluppo più o meno
avanzato, per impianti fissi, mobili, veicoli;
La Microcogenerazione – Celle a Combustibile
Schema di una cella
ad elettrolita polimerico
H2 + ½ O2  H2O + elettricità
+ calore
La Microcogenerazione – Celle a Combustibile
Si possono distinguere quattro tipi fondamentali di
cella adattabili alla cogenerazione:
• ad elettrolita polimerico (PEFC);
• ad acido fosforico (PAFC);
• a carbonati fusi (MCFC);
• ad ossidi solidi (SOFC).
La Microcogenerazione – Celle a Combustibile
• Il grande vantaggio delle celle a combustibile
risiede nell’essere dispositivi statici, offrendo
così un’affidabilità maggiore ed oneri di
manutenzione minori rispetto alle altre soluzioni.
• Esse presentano inoltre un rendimento elettrico
molto elevato, silenziosità ed assenza di
vibrazioni.
• I problemi fondamentali da superare sono i costi
di produzione, ancora troppo elevati, e alcuni
problemi di resistenza alla corrosione e/o agli
stress termici per le celle ad alta temperatura.
La Microcogenerazione – Celle a Combustibile
La Microcogenerazione - Esempi
La Microcogenerazione - Esempi
La Microcogenerazione - Esempi
Microcogeneratore a ciclo Otto: 5 kWel,
10.3 kW termici
Microcogeneratore a ciclo
Stirling: 1.0 kWel,
7.5  13 kW termici
La Microcogenerazione - Esempi
Alimentazione: Metano, GPL, gasolio e
biodiesel;
Possibilità di funzionamento in
parallelo fino a sei moduli.
La Trigenerazione
La Trigenerazione
Impianti di produzione energetica, cogenerativi, in
cui si ha contemporaneamente:
• energia elettrica
• energia termica
• energia frigorifera
In questo modo l’impianto viene utilizzato per l’intero
arco dell’anno.
La Trigenerazione - Definizione
La Trigenerazione - Definizione
La Trigenerazione - Definizione
La trigenerazione comporta quindi che l’impianto di
cogenerazione deve essere integrato:
• con cicli frigoriferi / pompa di calore
• con macchine frigorifere ad assorbimento
La Trigenerazione - Definizione
La Trigenerazione - Esempio
La Trigenerazione - Esempio
La Generazione Distribuita
La Generazione distribuita
• Produzione centralizzata: centrali termoelettriche
a vapore, cicli combinati
• Produzione industriale (ee/calore): turbine a gas,
turbine a vapore, MCI, cicli combinati
• Produzione da impianti a FER: biomasse, RSU,
biogas da discarica
• Settore civile e terziario: motori, microturbine,
fotovoltaico, solare termico, eolico, celle a
combustibile
La Generazione distribuita
• Generazione elettrica di tipo locale
• Distribuita agli utilizzatori locali
• Eventualmente connessa alla rete di
distribuzione
• Impianti < di 10 MW
La Generazione distribuita
60
La Generazione distribuita
La Generazione distribuita
La Generazione distribuita
• Possibilità di evitare i costi di trasmissione e
distribuzione
• Migliora l’affidabilità e la qualità della fornitura
elettrica
• Elevata efficienza energetica nell’uso dei
combustibili fossili (in assetto cogenerativo)
• Possibilità di utilizzo di fonti energetiche
rinnovabili
La Generazione distribuita
• la GD può fornire un’alimentazione ininterrotta
ed affidabile. La capacità di ridare potenza in
tempi brevi ad una rete utente o isole di
distribuzione, porta ad una maggiore sicurezza
del sistema, riducendo i rischi e gli effetti di
possibili blackout.
• la domanda crescente di energia, accompagnata
dalla necessità della sicurezza della fornitura
elettrica e dalla riduzione dei gas serra trova
nella GD e nelle tecnologie a fonte rinnovabile
quelle componenti essenziali per lo sviluppo
sostenibile
La Generazione distribuita
ESEMPIO
Cogenerazione – Convenienza economica
Centrale di cogenerazione ad asservimento di un
centro commerciale con una superficie di circa
14000 mq.
Ipotesi di funzionamento del centro 4.000 ore annue.
POTENZE RICHIESTE DAL CENTRO
• Potenza Elettrica 400 Kw
• Potenza Termica 1.2 Mw
• Potenza Frigorifera 1.1 Mw
Cogenerazione – Convenienza economica
INVESTIMENTO CENTRALE TRADIZIONALE
• Centrale Termica
• Centrale Frigorifera
• Cabina di trasformazione elettrica
TOTALE 350.000 €
INVESTIMENTO CENTRALE COGENERAZIONE
• Centrale di Trigenerazione
• Cabina di trasformazione per parallelo rete
TOTALE 475.000 €
SURPLUS 125.000 €
Cogenerazione – Convenienza economica
IMPIANTO TRADIZIONALE
TRIGENERAZIONE
costo kWhe = 0.120 €/kWh
costo kWhe = 0.0625 €/kWh
costo kWht = 0.055 €/kWht
costo kWht = 0.032 €/kWht
costo kWhf = 0.043 €/kWhf
costo kWhf = 0.0213 €/kWhf
costo gas = 0.51 €/mc
costo gas = 0.26 €/mc
Cogenerazione – Convenienza economica
SPESA MEDIA ANNUALE CON SISTEMA TRADIZIONALE
• energia termica 100.000 €
• energia frigorifera 45.000 €
• energia elettrica 135.000 €
TOTALE 280.000 €
SPESA MEDIA ANNUALE CON TRIGENERAZIONE
• energia termica ed elettrica 140.000 €
• energia termica a supporto 45.000 €
• energia frigorifera a supporto 40.000 €
TOTALE 225.000 €
Cogenerazione – Convenienza economica
• SURPLUS INVESTIMENTO 125.000 €
• RISPARMIO SPESA ENERGETICA 55.000 €
• RITORNO DELL’INVESTIMENTO ANNI 2,3
Cogenerazione – Convenienza economica
Grazie per l’attenzione
ing. Luigi De Sanctis
[email protected]
tel. 06 30483508
fax 06 30484990