La micro-cogenerazione: vantaggi energetici, tecnologie disponibili e opportunità di mercato Prof. Paolo Silva (Dipartimento di Energia, Politecnico di Milano) paolo.silva@polimi.it 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 7 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…..) Paolo Silva – Como NEXT, 27 Marzo 2014 Limiti della cogenerazione 9 • 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 10 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 Paolo Silva – Como NEXT, 27 Marzo 2014 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. Paolo Silva – Como NEXT, 27 Marzo 2014 13 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 Paolo Silva – Como NEXT, 27 Marzo 2014 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) Paolo Silva – Como NEXT, 27 Marzo 2014 Normativa ed incentivi - III 15 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». Paolo Silva – Como NEXT, 27 Marzo 2014 16 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] Paolo Silva – Como NEXT, 27 Marzo 2014 104 105 106 Premessa sui rendimenti e rappresentazione dell’IRE/PES 17 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 19 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 Paolo Silva – Como NEXT, 27 Marzo 2014 (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] Paolo Silva – Como NEXT, 27 Marzo 2014 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 Paolo Silva – Como NEXT, 27 Marzo 2014 Esempi di applicazioni di piccola / micro cogenerazione 22 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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