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Introduzione - Teoria - Esercizi - Caso Studio - Conclusioni
1
SOMMARIO

Introduzione
–
–
–

Teoria









La cogenerazione e le fonti rinnovabili nelle reti intelligenti
Energia rinnovabile
Cogenerazione
Energia solare
Energia da biomassa
Energia eolica
Energia geotermica
Energia idraulica
Tecnologie della cogenerazione
Esercizi
Business Case
Sommario
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3
Cogenerazione e fonti energetiche rinnovabili per
reti intelligenti
Alcune fonti energetiche rinnovabili sono caratterizzate da una grande discontinuità
Bilanciamento
Produzione locale di energia dei carichi
Fonti rinnovabili
Efficienza energetica
rete
Generazione distribuita (DG)
ICT
Cogenerazione
Accumulo
Le smart cities si incentrano nella logica della generazione distribuita
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4
Energia rinnovabile
Si possono definire fonti energetiche rinnovabili quelle che hanno un tempo
di rigenerazione inferiore (o uguale) al tempo di utilizzo.
Pertanto non posso essere considerate rinnovabili le fonti fossili.
Le fonti rinnovabili sono:
• Solare
• Biomassa
• Eolica
• Geotermica
• Idraulica
Efficienza energetica (non è una fonte energetica, ma contribuisce a ridurre
l’utilizzo di energia)
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5
Produzione combinata di
energia elettrica e di calore
“… sistema integrato che converte l’energia primaria di una
qualsivoglia fonte di energia nella produzione congiunta di energia
elettrica e di energia termica (calore)…” [1]
Definizione dalla Delibera AEEG n. 42/02 19 marzo 2002
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7
ENERGIA SOLARE
Energia solare => riscaldamento, raffreddamento, illuminazione ed elettricità
Grande potenziale: In un’ora il sole fornisce l’energia necessaria, in base ai
consumi globali attuali, all’interno pianeta in un anno.
Tecnologie:
•
solare termico
•
solar cooling
•
fotovoltaico
•
solare a concentrazione
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ENERGIA SOLARE
Solare termico
Temperature
Produzione di acqua calda sanitaria
100 °C
150 °C
Riscaldamento o preriscaldamento fluidi di lavoro
(uso industriale)
Teleriscaldamento
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9
ENERGIA SOLARE
Solare termico: caratteristiche
•
Tecnologia matura
•
Assenza emissioni locali di CO2
•
Silenziosità
•
Variabilità
•
Possibilità di accumulo
•
Impatto ambientale variabile
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10
ENERGIA SOLARE
Solar cooling
Adsorbimento
•
Assorbimento
Intake
Humidifier
•
Dehumidification wheel
Exhaust
Humidifier
Sistemi a ciclo chiuso
Heat recovery wheel
Solar
collector
Return air
Supply air
Sistemi a ciclo aperto
•
Sistemi DEC (Desiccant & Evaporative Cooling Systems)
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11
ENERGIA SOLARE
Solar cooling: caratteristiche
•
Tecnologia relativamente recente
•
Alti costi per taglie piccole
•
Assenza di emissioni locali di CO2
•
Silenziosità
•
Variabilità
•
Possibilità di accumulo
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12
ENERGIA SOLARE
Fotovoltaico
Conversione diretta dell’energia solare in elettricità
• Alti costi dell’elettricità
• Possibilità di concentrazione
• Nuovi materiali organici al posto del silicio
• Stoccaggio dell’energia
Direct
current
• Batterie
inverter
• Acqua calda mediante effetto Joule
Alternative
current
• Produzione di idrogeno
End users
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Grid
13
ENERGIA SOLARE
Fotovoltaico: caratteristiche
• Assenza di emissioni locali di CO2
• Silenziosità
• Distribuzione sul territorio
• Bassa efficienza
• Produzione della sola energia elettrica
• Produzione intermittente
• Impatto ambientale
• Uso del suolo (agricoltura)
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14
ENERGIA SOLARE
Solare a concentrazione (CSP)
Concentra il sole per unità di superficie
Usi termici
•
Parabolico lineare
•
Sistemi a torre con ricevitore centrale
•
Collettori lineari di tipo Fresnel
•
Collettori a disco parabolici
Fonte: ENEA Quaderno solare termico a bassa e media temperatura
Usi elettrici
•
Termodinamico
Fonte: ENEA Quaderno solare termico a bassa e media temperatura
– Parabolico lineare e sistemi a torre
Recentemente vengono utilizzati sali fusi per migliorare il ciclo termodinamico
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15
ENERGIA SOLARE
Solare a concentrazione (CSP): caratteristiche
• Assenza di emissioni locali di CO2
• Silenziosità
• Distribuzione sul territorio
• Produzione aleatoria
• Impatto ambientale (soprattutto per i sistemi a torre)
• Uso del suolo (suolo agricolo)
• Alte temperature raggiunte (T fino a 550° C )
• Miglioramento del ciclo termodinamico
• Necessità di riscaldare i sali fusi durante la notte
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ENERGIA DA BIOMASSA
•
Processi termochimici
•
Processi biochimici
Biocarburanti: la biomassa viene convertita in carburante
•
Olio di colza e di girasole (biodiesel),
•
Canna da zucchero, barbabietola, mais (bioetanolo).
Energia elettrica: Bruciando la biomassa direttamente o previa conversione
combustibili liquidi o gassosi (in modo da massimizzare l’efficienza), per generare
energia elettrica.
Bioprodotti: Conversione chimica della biomassa per la produzione di plastica e
altri prodotti derivati dal petrolio
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17
ENERGIA DA BIOMASSA
Biomass
Organic wastes
Forest
Vegetables
Technological
transformation of products
Energetic coltivations
Agricultural
- Food
- Animals
- No food
- Vegetables
Aquatic
Land
[3] Fonte: Corso di Impatto ambientale Modulo b) Aspetti energetici prof. ing. Francesco Asdrubali Energia dalle Biomasse
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ENERGIA DA BIOMASSA
PRINCIPALI TECNOLOGIE DISPONIBILI PER L’USO DI BIOMASSA
Biomass
Treatment
Fuel
Technology
(mechanics, thermochemical, biochemical)
Mechanics (Cips …)
Wood
Carbonizzation
Pirolysis
Oil-bearing crops
Boiler + steam turbine
Coal
Internal Combustion
Engine (diesel cycle)
Gasification
Pirolysis
Glucose crops
Wood
Esterification
Oil
Gas
Alcoolic fermentation
Gas Turbine
Gas Microturbine
Internal Combustion
Engine (Otto cycle)
Ethanol
Organic waste
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Anaerobic digestion
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ENERGIA DA BIOMASSA
Energia da biomassa: caratteristiche
• disponibilità alla domanda
• possibilità di accumulo
• possibile la produzione sia di energia elettrica che di calore
• tecnologicamente in fase di sviluppo
• possibile utilizzo di diserbanti
• impatto ambientale (da molto limitato a non trascurabile)
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ENERGIA EOLICA
L’energia eolica è una forma di energia solare.
Tecnologie: turbine ad asse orizzontale e turbine ad asse verticale
Localizzazione : on shore/off shore
Rotor
Overgear
Generator
Control system
Potenze: fino ad 8 MW
Nacelle, yaw system
Breaking system
Tower and base
Fonte: ENEA opuscolo l’energia eolica [4]
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ENERGIA EOLICA
Energia eolica: caratteristiche
• Assenza di emissioni locali di CO2
• Impatto ambientale
-
inquinamento acustico
-
Biodiversità
-
visivo
• Produzione intermittente
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ENERGIA GEOTERMICA
Utilizzo del calore terrestre presente sottoforma di vapore o acqua calda a
varie temperature [5]
• Sistemi idrotermici a vapore dominante
• Sistemi idrotermici ad acqua dominante
• Sistemi a rocce calde
• Sabbie geopressurizzate
L’energia geotermica viene classificata in funzione dell’entalpia
Calore a bassa entalpia 100 kcal/kg
(acqua a 100 ° C)
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Calore a medio- alta entalpia 100-630 kcal/kg
(mix di acqua e vapore)
Calore ad alta entalpia 630 kcal/kg
(vapore secco)
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ENERGIA GEOTERMICA
Alta entalpia
•
Energia elettrica
•
Vapore per uso industriale
Bassa-media entalpia
•
balneologia and spa
•
acquacoltura
•
usi industriali
•
essiccazione
•
altri usi
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ENERGIA GEOTERMICA
Energia geotermica: caratteristiche
Usi domestici
•
•
•
•
•
•
•
Tecnologia matura
Larga scala di potenza
Su richiesta
Impatto ambientale ridotto o trascurabile
Temperatura: 12-15 °C
Possibilità di raffrescamento
Riscaldamento con integrazione di pompe di calore
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25
ENERGIA IDROELETTRICA
Usa l’energia potenziale dell’acqua
Turbine diverse in funzione del salto idraulico disponibile.
• Pelton,
• Francis,
• Kaplan,
• Cross Flow (Banki)
• Coclea di Archimede
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ENERGIA IDROELETTRICA
Idroelettrica: caratteristiche
• Tecnologia matura
• Assenza di emissioni locali di CO2
• Produzione programmabile
• Accumulo
• Impatto ambientale
• Danni all’ecosistema
• Produzione di sola energia elettrica
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COGENERAZIONE
L’idea di cogenerazione è insita nel Secondo Principio della Termodinamica:
• Un generico ciclo termodinamico destinato a convertire calore in lavoro meccanico
deve necessariamente scaricare una parte del calore introdotto nel ciclo.
• Nelle tecnologie concretamente realizzabili e utilizzate, la frazione di calore scartato è
quasi sempre maggiore della frazione convertita in lavoro meccanico.
• L’energia termica è una forma di energia ampiamente richiesta in ambiente industriale
e civile.
• Il processo di cogenerazione porta ad un più razionale uso dell’energia primaria
rispetto ai processi che producono separatamente le due forme di energia.
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COGENERAZIONE VS.
PRODUZIONE SEPARATA
Gli impianti che producono separatamente energia elettrica e calore sono
definiti, in questa nuova ottica:
SHP: Separated Heat and Power
Un confronto di massima tra le due soluzioni impiantistiche aiuta a valutare i
vantaggi della generazione combinata (CHP) rispetto alla generazione
separata (SHP) di energia
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29
COGENERAZIONE CHP Vs SHP
SHP
Energia
elettrica
ηc
Calore
Q
Inquinamento
chimico
Energia
termica
CHP
Energia
chimica
mcHi
Energia
elettrica
e
termica
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Energia
chimica
mcHi
Energia
chimica
mcHi
ηc
ηt
Lavoro
L
ηc
Calore
utile
ηt
ηt
Calore
Q
Inquinamento
chimico
ηm
Lavoro
L
Calore
utile
Lavoro utile
Le
Perdite
meccaniche
Inquinamento
termico
Calore
Q
ηm
Lavoro utile
Le
Perdite
meccaniche
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30
COGENERAZIONE
A) PRODUZIONE SEPARATA DI ELETTRICITA’ E CALORE
(In tutte le figure abbiamo unità energetiche)
OUT
THERMAL
REQUEST
( =80%)
IN
50
63
+
+
( =35%)
ELECTRIC
REQUEST
85
30
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 = 80/148 = 54%
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148
80
Perdite = 68
31
COGENERAZIONE
B) PRODUZIONE COMBINATA DI ELETTRCITA’ E CALORE
(In tutte le figure abbiamo unità energetiche)
IN
50
+
ELECTRIC
REQUEST
COGENERATION
PLANT
100
THERMAL
REQUEST
30
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 = 80/100 = 80%
100
80
Perdite = 20
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32
COGENERAZIONE
L’utilizzo di sistemi di cogenerazione permette di
ridurre i consumi di energia primaria dal 15-40%
a partita di energia elettrica e calore prodotto.
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33
COGENERAZIONE
CHP: caratteristiche 1/2
• Economico: grazie alla miglior efficienza d’impianto si sfrutta meglio
l’energia
contenuta
nel
combustibile,
consumando
meno.
Ulteriore risparmio è legato alla produzione localizzata dell’energia.
• Ambientale: minore consumo di combustibile implica minori emissioni
nocive nell’ambiente.
• Finanziario: la cogenerazione è considerata una fonte di energia
assimilabile alle fonti alternative (sole, vento, geotermia) e gode quindi
di incentivi e facilitazioni previsti dalla legge.
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34
COGENERAZIONE
CHP: caratteristiche 2/2
• Necessità di corrispondenza tra produzione e domanda sia per
l’energia elettrica che termica.
• Affinché si realizzi una convenienza economica per l’impianto le
utenze termiche ed elettriche devono trovarsi nelle vicinanze del
sistema di generazione.
• Maggiori costi di impianto rispetto ai sistemi tradizionali
imputabili alla complessità degli impianti cogenerativi.
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35
COGENERAZIONE
La valutazione del risparmio può essere rappresentata in termini matematici
EfficencyI ndex =
[1]:
F
FC - F
= 1
W /  EL ,C + QU / TH ,C
FC
Questo Indice di Efficienza fornisce un’idea di quanta energia può essere
risparmiata con il CHP. Viene definito come il rapporto tra:
•
•
Fc-F: differenza tra energia primaria assorbita dall’SHP (Fc) e quella assorbita dal CHP (F), a
parità di energia elettrica e termica in uscita
Fc: energia primaria assorbita dall’SHP
Può essere espresso dalla seconda formula dove:
•
•
•
W: è l’energia elettrica in uscita
Qu: è l’energia termica in uscita
I due η sono, rispettivamente, il rendimento dell’impianto di generazione elettrica e della
caldaia
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36
COGENERAZIONE
Componenti principali
•
Motore
•
Generatore
•
Scambiatore
•
Sistema di controllo
•
Sistema di distribuzione
•
Connessioni elettriche
•
Cabina di trasformazione (se si prevede di vendere l‘energia elettrica)
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37
COGENERAZIONE
Impianti considerati cogenerativi [6]
 Turbine a gas a ciclo combinato con recupero di calore
 Turbine a vapore a contropressione
 Turbina a condensazione con spillamento di vapore
 Turbine a gas con recupero di calore
 Motore a combustione interna
 Microturbine
 Motori Stirling
 Pile a combustibile
 Motori a vapore
Fonte: ENEA Desire – Net Project
 Cicli Rankine a fluido organico
 Ogni altro tipo di tecnologia o combinazione di
tecnologie che rientrano nella definizione di cogenerazione
(articolo 3, lettera a)
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38
COGENERAZIONE
Confronto delle efficienze tra i diversi generatori
Legenda
SOFC: Solid Oxide Fuel Cell
MCFC: Molten Carbonate
Fuel Cells
CCGT: Combined Cycle Gas
Turbine
GT: Gas Turbine
ICE: Internal Combustion
Engine
PAFC: Phosphoric Acid Fuel
Cells
PEM: Polymeric Electrolytic
Membrane Fuel Cells
GT: Gas Turbine
MT: Micro Turbine
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40
Risparmio di energia primaria
Supponendo di avere un fabbisogno di energia elettrica di 80 kWh e di
energia termica di 90 kWh, calcolare la variazione dei consumi utilizzando
un CHP e un SHP.
Dati:
• centrale termoelettrica rendimento del 45%.
• centrale termica rendimento del 95%.
• cogeneratore: rendimento elettrico del 40% e rendimento termico del
45%
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Risparmio di energia primaria
SHP
CHP
Energia elettrica
80/0,45 = 178 kWh
80/0,40 = 200 kWh
Energia termica
90/0,95 = 95 kWh
90/0,45 = 200 kWh
Energia consumata (PCI)
273 kWh
Riduzione dei consumi di circa il 27%
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200 kWh
Questo non deve
essere sommato
perchè si riferisce
a una produzione
simultanea di
energia elettrica
e termica
42
MOTORI AD ALTA EFFICIENZA
Quale dei seguenti profili di carico è
indicato per la cogenerazione?
Diagramma a
Diagramma b
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43
MOTORI AD ALTA EFFICIENZA
Quale dei seguenti profili di carico è
indicato per la cogenerazione?
Diagramma a
Con utilizzo di sistema di accumulo
Diagramma b
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45
Esempio pratico
“Hypo Alpe Adria”[7]
Impianto di trigenerazione per il riscaldamento e condizionamento di un distretto :
L’impianto di trigenerazione “Hypo Alpe Adria” si trova a Tavagnacco (UD) nella parte
nord-est dell’Italia.
Nella zona nord del distretto di Udine è stata costruita una zona residenziale con edifici
pubblici e privati, incluso una piscina, un hotel, una sede di una banca italiana e altre
strutture al servizio della comunità.
L’impianto “Hypo Alpe Adria” include un motore CHP da 1 MW di potenza elettrica e circa
1.3 MW di potenza termica.
Inoltre, sono state installate due caldaie con 1.2 e 2.0 MW di potenza termica.
L’impianto di condizionamento comprende due refrigeratori da 1 MW di potenza e un
refrigeratore ad assorbimento da 0.5 MW di potenza.
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Capacità elettrica (totale)
1,06 Mwe
Capacità termica (totale)
1,27 MWt
Tecnologia
Motor engine
N. di unità
1
Produttore
Jenbacher
Tipo di combustibile
Metano
Elettricità (produzione annuale)
2,37 GWh
Calore (produzione annuale)
2,57 GWh
Anno di costruzione
2006
Costo totale dell’investimento
€ 2.800.000
Finanziamento
Fondi propri
Aiuti di Stato
Certificati, riduzione tasse
Collocazione
Tavagnacco,Italia
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48
Conclusioni
 Alcune fonti rinnovabili presentano forti discontinuità di produzione.
 Si rende necessaria la realizzazione di distretti energetici per
l‘ottimizzazione e l‘utilizzo dell‘energia prodotta.
 I sistemi CHP dove si richiede la produzione di energia termica ed
elettrica rappresentano un modo per poter efficientare l‘utilizzo di fonti
primarie.
 I CHP possono essere alimentati anche con fonti rinnovabili (biomassa).
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Bibliografia








[1] AEEG (2002) n. 42/02 19 March, 2002
[2] www.roma1.infn.it/rog/pallottino/bacheca/Sole%20e%20rinnovabili.pdf‎
[3] Corso di Impatto ambientale Modulo b) Aspetti energetici prof. ing. Francesco Asdrubali Energia dalle
Biomasse
[4] Opuscolo ENEA ENERGIA EOLICA
[5] Francesco Zarlenga - ENEA [2011] EAI Energia Ambiente e Innovazione 3/2011
[6] European Parliament [2004] Directive 2004/8/EC on the promotion of cogeneration based on a useful
heat demand in the internal energy market and amending Directive 92/42/EEC
[7] CODE PROJECT IEE – Cogeneration Case Studies Handbook
[8] http://www.vestas.com/en/products_and_services/turbines/v164-8_0-mw#!at-a-glance
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Riferimenti delle foto - 1

Slide 15 – ENEA Quaderno solare termico a bassa e media temperatura
www.enea.it/it/enea_informa/documenti/quaderni-energia/solare.pdf

Slide 21 – ENEA Opuscolo l’energia eolica
old.enea.it/produzione_scientifica/pdf_op_svil_sost/Op19.pdf

Slide 38 - ENEA Desire – Net Project
www.desire-net.enea.it
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