La micro-cogenerazione

La micro-cogenerazione: vantaggi energetici, tecnologie
disponibili e opportunità di mercato
Prof. Paolo Silva (Dipartimento di Energia, Politecnico di Milano)
[email protected]
23 Gennaio 2014 – Lomazzo (CO) – COMO NEXT
Indice della presentazione
 Introduzione alla cogenerazione (e trigenerazione)
 Vantaggi e limiti
 Classificazione, normativa ed incentivi, scenari applicativi
 Tecnologie per la micro-cogenerazione (motori)
 Esempi applicazione
Paolo Silva – Como NEXT, 27 Marzo 2014
2
3
COGENERAZIONE : Definizione
Produzione combinata di energia elettrica e calore (combined heat and
power , CHP), entrambi intesi come effetti utili.
Può essere effettuata utilizzando un “motore” (es. a combustione interna a
pistoni, a turbina a gas, a turbina a vapore….) che genera energia elettrica,
dal quale si recupera anche calore altrimenti disperso.
Il “motore” a seconda delle tipologie può essere alimentato con combustibili
fossili (gas naturale, oli combustibili) o mediante biocombustibili rinnovabili
(biogas, biocombustibili liquidi) o di risulta (RSU e derivati).
Energia elettrica 35
Combustibile
100
Recupero termico 55
Motore
Perdite termiche 10
Paolo Silva – Como NEXT, 27 Marzo 2014
Rendimento
Totale 90%
4
Altri indici e parametri di merito
 Rendimento elettrico e rendimento termico del cogeneratore
 Rendimento totale o Fattore di utilizzo del combustibile:
(somma dei due precedenti)

Rendimento di produzione elettrica
(utile per confronto con centrali di sola
produzione elettrica)
Paolo Silva – Como NEXT, 27 Marzo 2014

Indice elettrico
5
Vantaggio energetico della cogenerazione
Caso base, produzione separata
Caso cogenerativo
Perdite
Centrale
elettrica
Combustibile
Combustibile
Energia elettrica
EE
Fcog
Calore Q
EE
EE
FEE
Q
Combustibile
FQ
Impianto
cogenerativo
Perdite
Caldaia
 Si ottiene un vantaggio quando Fcog è minore di FEE+FQ , a parità di effetti
utili EE e Q per l’utente finale
Paolo Silva – Como NEXT, 27 Marzo 2014
6
L’indice di risparmio energetico
PES (1
Efuel
Eel
el,ref
p
Qrec
th,ref
) 100
Esempio di valori di riferimento
Rendimento elettrico
Rendimento termico
Efficienza di rete p
el,ref
th,ref
0.525
0.90
0.925
L’indice di risparmio energetico (IRE o PES – primary energy saving
index) confronta il consumo di energia primaria del sistema cogenerativo
con il consumo che si avrebbe generando separatemante la stessa
quantità di calore ed elettricità.
Qrec è tutto il calore “utile” recuperato (es. per carico termico, per
frigoriferi ad assorbimento).
Il dimensionamento del sistema deve consentire un corretto recupero
energetico e quindi il conseguimento di un PES positivo.
Paolo Silva – Como NEXT, 27 Marzo 2014
VANTAGGI DELLA COGENERAZIONE
Vantaggi per il sistema elettrico e per il Paese:
• Risparmio energetico : vantaggi per la bilancia dei pagamenti, diminuisce
la dipendenza dall’estero (minore importazione combustibili fossili)
• Contenimento emissioni inquinanti (con generatori puliti..) e CO2
• Riduzione del sovraccarico delle linee di trasmissione, possibile
aumento di affidabilità del sistema elettrico
• Riduzione perdite di trasmissione e distribuzione
• Si evita la costruzione di nuove grandi centrali / di nuove linee di trasmissione
• Favorisce ingresso nuovi operatori / liberalizzazione settore energetico
Vantaggi per l’utente:
Benefici economici : risparmio sulle bollette energetiche (su questi tema,
ruolo fondamentale degli incentivi)
 Maggiore sicurezza negli approvvigionamenti elettrici (possibilità di
funzionare anche “in isola” a fronte di black-out)
 Funzionamento in “Peakshaving” per far fronte ad elevate richieste di
potenza per periodi di tempo limitato
 Funzionamento per “Power quality” per garantire tensione e frequenza
costante a salvaguardia di un processo produttivo

Paolo Silva – Como NEXT, 27 Marzo 2014
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Vantaggio ambientale della cogenerazione
8
 Un primo beneficio
ambientale della
cogenerazione è
legato al fatto che,
grazie al recupero
termico, posso
“evitare” di tenere in
esercizio una caldaia,
risparmiando quindi le
emissioni della
stessa.
 Un secondo beneficio è legato al fatto che, producendo energia elettrica,
posso “evitare” di far funzionare centrali elettriche convenzionali,
risparmiando le corrispondenti emissioni.
 I vantaggi sono rilevanti soprattutto se le emissioni specifiche del
cogeneratore sono basse rispetto a quelle dell’insieme caldaia + centrali
(differenza poi tra effetti locali e globali…..)
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Limiti della cogenerazione
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• Contemporaneità desiderata della richiesta di energia elettrica e termica, salvo
utilizzo accumuli di calore (es. serbatoi acqua calda)
• Necessaria una buona vicinanza tra produzione e utilizzo (utenze
sufficientemente in vicinanza del sistema di generazione)
• Il livello termico a cui è richiesto il calore deve essere compatibile con il tipo di
cogeneratore scelto
•Maggiori costi iniziali rispetto ai sistemi tradizionali (caldaie + allaccio rete e.e.)
• Gestione più complessa dell’impianto
• Redditività legata al quadro normativo/tariffario (variabile nel tempo!)
• Barriere non tecniche (costi burocratici, autorizzativi, fiscali; ad es.
interfacciamento con la rete elettrica: duplicazione ed onerosità dei sistemi di
sicurezza e distacco, ambito normativo poco favorevole)
• Parte di queste problematiche vengono risolte affidando il servizio di installazione e
gestione di un impianto cogenerativo ad una ESCO (Energy Service Company)
Paolo Silva – Como NEXT, 27 Marzo 2014
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Trigenerazione: definizione
Produzione combinata di energia elettrica, calore e freddo (combined
cooling, heating and power , CCHP), intesi come effetti utili.
Si effettua utilizzando un “cogeneratore” che genera energia elettrica e
calore, a cui si affianca una macchina frigorifera:
 a compressione, azionata dall’energia meccanica o elettrica
prodotta;
 ad assorbimento, azionata dal calore recuperato dal cogeneratore.
Energia elettrica 35
Combustibile
100
Rendimento
totale73%
Motore
Recupero termico 55
Perdite termiche 10
Paolo Silva – Como NEXT, 27 Marzo 2014
Assorbitore
10
En. Frigorifera 38
Perdite termiche 17
Vantaggi della TRIGENERAZIONE
11
In aggiunta ai vantaggi legati alla cogenerazione, la trigenerazione porta
ulteriori vantaggi per il sistema elettrico:
• Riduce il picco di richiesta elettrica sulla rete nei mesi estivi
• Aumenta l’affidabilità del sistema elettrico nei periodi + critici
• Evita la costruzione di nuove linee di distribuzione
• Si evita la costruzione di nuove centrali “di punta”
per l’utente:
• maggiore risparmio sulle bollette energetiche: possibile maggior redditività
dell’impianto legata al fattore di utilizzo più elevato
Carico (% di picco termico)
105
90
75
60
Domanda
frigorifera
Domanda
termica
45
30
Domanda
elettrica
15
0
1
2
3
4
5
6
mesi
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7
8
9
10
11
12
Classificazione e Direttiva UE
12
La Direttiva Europea sulla cogenerazione [1] definisce:
•“micro-cogeneration” tutte le applicazioni con potenza elettrica installata
inferiore a 50 kWel; “small-scale cogeneration” le applicazioni con Pel < 1 MWel ;
“cogeneration” e poi “large-scale cogeneration” oltre 1 MWel
Si considerano “high efficiency cogeneration” i casi di installazioni con Indice di
risparmio energetico PES(*) > 10%, con l’eccezione di impianti di piccola taglia
(Pel < 1 MWel), dove viene accettato PES > 0.
Gli impianti “high efficiency” sono soggetti ad incentivazioni che devono essere
fissate dagli stati membri. In Italia, la legislazione in merito è in fase di
evoluzione.
I valori dei rendimenti di riferimento vengono fissati dagli stati membri in
funzione della classe di combustibile usato.
(*) PES, Primary Energy Saving index (con analoga definizione anche il precedente indice
di risparmio energetico «IRE», rif. Delibere AEEG).
[1] Direttiva 2004/8/EC, recepita in Italia con Dlg n 20 del 08/02/07 , e d.m. 4/8/2011 e 5/9/2011.
Successivo aggiornamento con Direttiva 2012/27/EC “Energy efficiency”, L315/1, 2012.
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Normativa ed incentivi
 Sul fronte del combustibile, la cogenerazione può sfruttare - come tutti i sistemi di
autoproduzione elettrica - una parziale defiscalizzazione del combustibile utilizzato;
nel caso del gas naturale non viene applicata l’accisa su 0.22 Nm3 di gas ogni
kWhel prodotto (ciò comporta che tutto il gas utilizzato risulti quindi defiscalizzato se
l’impianto ha un rendimento elettrico maggiore o uguale al 45%) (*).
Nella tabella seguente sono riportati valori di esempio dell’accisa sul gas naturale per
diverse tipologie di utenze dei settori civile e terziario.
3
Valori accisa gas naturale
T2 riscaldamento
fino a 250
m3/a
oltre 250 m3/a
NORD
SUD
NORD
SUD
alberghi/ristoranti
impianti sportivi/attività
ricettive
Teleriscaldamento
commerciali/edifici pubblici
Ospedali
€/Nm
0,0788526
0,0386516
0,1733074
0,1242182
0,0124983
0,0124983
NORD
SUD
NORD
SUD
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0,0124983
0,1733074
0,1242182
0,1733074
0,1242182
(*) il valore è stato
ridotto dal precedente
0.25 Nm3/kWhel nel
maggio 2012
Normativa ed incentivi - II
14
 Se soddisfa i criteri «high efficiency» l’impianto acquisisce, come gli
impianti a fonte rinnovabile, diritto alla priorità di dispacciamento, ovvero la
possibilità di vedersi ritirare dal GSE* l’eventuale energia elettrica cedibile
alla rete con priorità rispetto agli altri impianti di generazione, ad ogni ora
del giorno e della notte (*Gestore Sistema Elettrico)
 tuttavia la valorizzazione della EE ceduta alla rete (per potenze fino a 1000
kW si usa lo schema del Ritiro Dedicato - RID) avviene a prezzi non molto
remunerativi (delibera AEEG N 34/05 e successive)*
conviene massimizzare
l’autoconsumo
 la legislazione più recente (DLGS 20/07 e successivi) dà vantaggi agli impianti
di cogenerazione ad alta efficienza sotto ai 200 kWe con «scambio sul
posto» (SSP) che migliora le condizioni economiche di allaccio alla rete
(*) Il valore del «Reverse Metering Factor» RMF (Valore vendita EE / costo acquisto EE)
secondo le normative attuali non è molto alto: per impianti da 5-10 kW oscilla intorno a 0.3
per il caso RID e 0.35 per il caso SSP (valori massimi intorno a 0.45 su alcune fasce orarie)
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Normativa ed incentivi - III
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 Possibilità di acquisizione dei titoli di efficienza energetica (TEE) o certificati
bianchi (CB), varati in generale per tutte le iniziative di risparmio energetico, con
valore negli ultimi anni prossimo a 80-100 €/tep risparmiata.
 Il valore è tuttavia piuttosto basso (si traduce poi in circa 0.5 c€/kWhel ).
 Il valore è calcolato in base al risparmio energetico:
con CB = (RISP ∗ 0.086) ∗ K dove il fattore k è:
e non dà vantaggi particolari ai «micro» rispetto ai «piccoli».
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Tecnologie: sommario e campi di potenza applicabili
80
70
Cicli
combinati
Cicli ibridi con FC + turbina a gas
Rendimento elettrico, %
60
SOFC
50
TV
Celle a combustibile
40
USC e
IGCC
30
Mot.
Stirling
TG HD
20
TG AD
Micro-turbine a gas
Motori a c.i
10
TPV
0
0
1
10
100
1000
Taglia impianto [kW]
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104
105
106
Premessa sui rendimenti e rappresentazione dell’IRE/PES
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Esempio per tecnologie per cogenerazione di scala piccola e micro
Rendimento elettrico, %
100
90
Limite PES=0
(riferimenti con leggi
attuali)
Celle a combustibile MCFC
e SOFC
80
Celle a combustibile ad acido
fosforico e PEM
70
60
Motori a
combustione interna
50
40
Micro-turbine a
gas
Motori Stirling
Sistemi TPV
30
20
10
0
0
10
20
30
40
50
60
70
80
 Tutte le tecnologie
(anche con basso
el) possono avere
PES>0 se il recupero
termico è buono
90 100
Rendimento termico, %
PES
(1
Efuel
Eel
el, ref
Paolo Silva – Como NEXT, 27 Marzo 2014
Qrec
p
th, ref
) 100
18
MCI-CONCETTI INTRODUTTIVI
“Motori di tipo volumetrico in cui la combustione avviene all’interno della macchina
(motori alternativi)” - sono detti Motori a Combustione Interna (MCI)
STORICAMENTE…
Applicati dalla fine dell’800;
Forte sviluppo industriale grazie all’impiego su autoveicoli
Impiegati anche in propulsione navale, trazione ferroviaria, applicazioni stazionarie…
Da alcuni decenni anche per cogenerazione industriale (>500 kWel)
Recente disponibilità di taglie adatte ai settori civile e terziario (da 1 a 500 kWel)
VANTAGGI
 Costi relativamente contenuti
 Elevata affidabilità
 Buoni rendimenti
 Elevata flessibilità
Paolo Silva – Como NEXT, 27 Marzo 2014
SVANTAGGI
 Costi di manutenzione elevati
 Emissioni specifiche elevate
senza l’impiego di catalizzatori
 Rumorosità e vibrazioni
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BILANCI ENERGETICI
Bilancio energetico MCI taglia 500 kWe
6.4
6
Energia elettrica
1.5
Intercooler
37
Olio lubrificazione
Acqua raffreddamento
Fumi
24.6
Perdite elettriche e ausiliari
Perdite termiche
Calore di scarto
10.6
7.5
6.4
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(Combustibile in ingresso = 100)
20
MCI-Esempi di proposte di mercato
0.42
4500
4000
3500
0.4
Costo [€/kW]
Rendimento elettrico
0.38
0.36
0.34
0.32
3000
2500
2000
1500
1000
500
0
0.3
0.28
1
0.26
10
100
10
1000
Costi e caratteristiche
Potenza nominale[kWel]
Costo totale d’installazione [€/kWel]
Rendimento elettrico [%, rif. PCI]
Velocità di rotazione [rpm]
Costo di manutenzione [€/MWh]
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1000
Potenza elettrica [kW]
Potenza elettrica (kW)
Tedom
S22AP
45 kW
45.5
n.d.
28.4
3000
n.d.
100
Waukesha
VSG11G
75 kW
75
1100
27.2
1500
15
MAN
100 kW
100
1190
33.7
1500
14.5
Cummins
GSK19G
300 kW
300
950
34.2
1500
10
Caterpillar
G3516 LE
800 kW
800
1000
36.6
1000
7.6
21
Esempi MCI per micro-CHP
Caratteristiche
Potenza elettrica AC
Rendimento elettrico netto AC
Potenza termica recuperabile
Rendimento totale (elettrico e
termico)
Dimensioni (Largh.xProf.xAlt.)
Massa
Costo approssimativo (€)
Caratteristiche
Potenza elettrica AC
Rendimento elettrico netto AC
Potenza termica recuperabile
Rendimento totale (elettrico e
termico)
Dimensioni (Largh.xProf.xAlt.)
Massa
Costo approssimativo (€)
Ecowill (Honda)
Senertec
DACHS
5.0 kWel
26% PCI
12.3 kWth
89%
Toyota-Aisin
0.38x0.58x0.88 m
81 kg
6000
Toyota XRGI 15G
0.72x1.1x1.0 m
530 kg
13000
AsjaGen TA20
15.2 kWel
30% PCI
30 kWth
20 kWel
29% PCI
47 kWth
97%
1.1x0.66x1.5 m
465 kg
n.d.
Energifera
Tema100
100 kWel
32 % PCI
187 kWth
92%
1 kWel
20% PCI
3.25 kWth
85%
89%
6.0 kWel
28.8% PCI
11.7 kWth
85%
0.21x0.6x0.6 m
1.6x0.75x1.35 m 3.6x1.7x2.2 m
n.d. kg
850
3600
costo medio circa 1500-1800 €/kW
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Esempi di applicazioni di piccola / micro cogenerazione
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Two units, 60 kW each, with 230 kWth output and absorption chiller @130
kWcooling (research center of a polymer industry, 2008).
Hotel building with 130 kWe
trigeneration plant, Milano, 2008
7 floor office building with 120 kWe
trigeneration plant, Milano 2006
Fitness center with 60 kWe
cogen plant, Bologna, 2006
Restaurant with 60 kWe cogen
plant, Pavia, 2006
Wastewater tratment plant, biogas 125
kWe cogen plant, Alessandria, 2005
Paolo Silva – Como NEXT, 27 Marzo 2014
30 kWe trigeneration plant, offices
of a chemical industry, 2006
Images courtesy of Heat&Power
23
Macchi, Campanari, Silva “La climatizzazione a gas e ad
azionamento termico” www.polipress.polimi.it - 2012
Tra i temi trattati:
- tecnologie per cogenerazione e trigenerazione su scala piccola e
micro
- tecnologie per refrigerazione
- quadro normativo, applicazioni ed esempi
Paolo Silva – Como NEXT, 27 Marzo 2014
24
Grazie per l’attenzione
http://www.energia.polimi.it/ - http://www.gecos.polimi.it/
Paolo Silva – Como NEXT, 27 Marzo 2014

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