Il potenziale della cogenerazione in Italia Ennio Macchi

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1 Il potenziale della cogenerazione in Italia Dipartimento di Energetica - Politecnico di Milano La cogenerazione in Italia giornata di confronto sull'applicazione della direttiva europea 2004/8 Fast, Piazzale R. Morandi 2, Milano - 31 maggio 2007

2 CONTENUTI DELLA PRESENTAZIONE 2 Premesse termodinamiche/tecnologiche: le potenzialità di risparmio sono importanti I risparmi sono massimi per utilizzo di calore a BT Il potenziale per sviluppi futuri: Ripotenziamento degli impianti esistenti in contesti industriali (brown field) Nuove applicazioni (industria, terziario, civile) Il potenziale della cogenerazione di piccola taglia (< 1MW el ) Il potenziale della microcogenerazione (<50 kw el )

3 GRANDI RISPARMI, SENZA MIRACOLI TECNOLOGICI! 3 BASTA UNA MACCHINA CON UN RENDIMENTO DEL 32% PER RISPARMIARE IL 18.3% SE VOLESSI OTTENERE LO STESSO RISPARMIO CON UN CICLO COMBINATO PER SOLA GENERAZIONE ELETTRICA, DOVREI AVERE UN RENDIMENTO MEDIO ANNUO > 64%

4 IL RAPPORTO CALORE/ENERGIA ELETTRICA E MOLTO PIU ELEVATO DEL RAPPORTO FRA I RENDIMENTI DI RIFERIMENTO CICLI APERTI cogenerazione pompa di calore 4

5 La situazione attuale della cogenerazione italiana5 Connotati caratterizzanti: E basata soprattutto sul gas naturale (66 TWh su 92) La tecnologia dominante è il ciclo combinato (72.6 TWh su 92) E fortemente sbilanciata sulla produzione elettrica (92 TWh el contro 24.6 TWh t ) Le prestazioni energetiche medie sono penose, se confrontate con il moderno stato dell arte Gran parte degli impianti non raggiungono le prestazioni richieste dalla direttiva europea per essere definiti ad alto rendimento sono assimilabili (si utilizza il gas naturale peggio rispetto alla generazione separata, se il riferimento sono i moderni cicli combinati)

6 La situazione attuale (2005) della cogenerazione a gas naturale in Italia - rielaborazione E. Macchi da dati TERNA 6 energia elettrica netta Calore utile rend. elettrico netto rend. rend. termicototale netto PES (rif e 85%) TWh % TWh % % % % % cicli combinati motori a C.I. Vapore a CS Vapore a CP turbine a gas Totale cogenerazione a gas naturale Totale termoelettrico a gas naturale totale cicli combinati solo produzione e.e. a gas naturale

7 La situazione attuale della cogenerazione italiana a GN 7 Connotati caratterizzanti: L energia elettrica netta prodotta è molto elevata (quasi pari a quella prodotta in centrali per sola produzione di e.e.) E quasi tutta prodotta con cicli combinati (stesso peso cc cogenerativi e non) Il ruolo dei cicli a vapore è modesto (< 5%) Le turbine a gas in ciclo semplice pesano più della somma di MCI, TV CS e TV CP Il recupero termico è molto limitato, soprattutto nei cicli combinatinessuna tecnologia raggiunge in media PES = 10% I cicli combinati cogenerativi fanno peggio di quelli non cogenerativi

8 Nel 2004 e nel 2005 si è usato meglio il GN negli impianti per sola produzione di energia elettrica! 8 Rendimento netto CC = 860/1621= 53.05%, 2004) 860/1614 = 53.28%, 2005 Rendimento netto CC = 860/2060 = 41.70%, /1694 = 50.77%, 2005

9 Nella cogenerazione industriale vi sono grandi opportunità di risparmio energetico migliorando la tecnologia 9 Negli impianti di grande taglia, c è ampio spazio per migliorare: Servono cicli combinati molto più efficienti (devono fare meglio, non peggio dei cicli combinati non cogenerativi!) C è un importante potenziale per applicazioni di teleriscaldamento (si pensi a Milano) Raggiungere PES >10% è possibile, ma occorre una gestione ottimizzata dell impianto Per impianti di taglia limitata (<10-20 MW el ), vi sono ampi spazi per centrali di cogenerazione con turbine a gas a semplice recupero e motori alternativi

10 GENERAZIONE DISTRIBUITA Quali nuovi spazi per la generazione distribuita? 10 TG Sottostazioni MOTORI Motori MOTORI Fuel cell Utenze Commerciali BATTERIE Volani FUEL CELL Utenti residenziali Turbina a Gas Utenze Commerciali Utenze Industriali

11 Dai grandi impianti agli impianti mini e micro 11 Non c è solo la grande cogenerazione industriale L Italia è piena di PMI Terziario Residenziale

12 Wastewater Plants Hospitals 12 Universities Office Buildings Data Centers

13 Su taglie maggiori: le microturbine e i motori 13 Le microturbine sono caratterizzate da: potenza kw, rendimento 30% ciclo a gas rigenerativo, turbomacchine compatte ( rpm) materiali metallici avanzati (temp. max C), non raffreddate basse emissioni (NOx < 10 ppm)

14 Stima del mercato potenziale nel settore terziario 14 Potenza < 500 kw el Ospedali Alberghi Centri Commerciali Centri sportivi [MW] 13 di 14

15 Stima del mercato potenziale nel settore industriale 15 Potenza < 500 kw el Carta Ceramico Chimico Laterizi Meccanico Tessile [MW] 14 di 14

16 Ci piacerebbe che, fra dieci anni, migliaia (milioni?) di cucine italiane si presentassero così. Fra gli elettrodomestici, anche un microcogeneratore inserito nella cucina motore Stirling Il motore sostituisce/integra la caldaietta domestica nella generazione di calore e contemporaneamente cogenera energia elettrica, interfacciandosi sulla rete BT, con cui scambia energia elettrica in modo intelligente, esportandola nei periodi in cui è pregiata, importandola quando è poco pregiata In Italia si vende oltre un milione di caldaiette a gas 16

17 Microgenerazione o microcogenerazione? 17 è inevitabile che la generazione distribuita alimentata a gas naturale sia fortissimamente cogenerativa, perché solo grazie alla cogenerazione si possono ottenere i benefici energetici e ambientali che possono giustificare un (indispensabile) quadro normativo e tariffario incentivante e perché la valorizzazione del calore è fondamentale nel bilancio economico dell operazione. Si deve co-produrre elettricità e calore in modo intelligente, vale a dire recuperando sempre integralmente il calore e concentrando la produzione elettrica nei periodi in cui essa è più pregiata. Questo consentirebbe di ottenere un rendimento unitario (imbattibile, dal momento che anche le migliori centrali di grande scala per sola generazione elettrica non arrivano al 60%) nella generazione di energia elettrica da gas naturale, per di più in ore pregiate ed esente dalle perdite di rete.

18 Cogenerazione oppure Trigenerazione? 18 La domanda termica nei settori residenziale e terziario è fortemente stagionale: per molti mesi dell anno il microgeneratore deve operare per periodi molto ridotti La possibilità di recuperare il calore per generare freddo è fondamentale per ampliare il periodo di funzionamento del microgeneratore Per taglie non piccolissime, la soluzione è praticabile Spesso conviene ampliare il campo operativo aggiungendo nel sistema trigenerativo oltre a un frigorifero ad assorbimento anche un sistema a compressione (frigorifero/pompa di calore).

19 Perché la microgenerazione deve essere basata sul gas naturale? 19 Perché è il combustibile fossile più pulito Perché è diffuso capillarmente su gran parte del territorio nazionale e in particolare nelle aree metropolitane Perché si sposa particolarmente bene con le tecnologie di microcogenerazione più avanzate Perché siamo seri, e non è realistico ipotizzare a brevemedio termine la disponibilità dell unico vettore energetico più pulito del gas naturale (l idrogeno). La transizione verso l economia dell idrogeno ha tempi lunghi e incerti Certamente la microcogenerazione è pienamente compatibile con l economia dell idrogeno

20 Altro punto da chiarire: l impatto della microcogenerazione sul sistema gas 20 Non si deve dimenticare che nel nostro Paese: La quasi totalità delle nuove centrali termoelettriche sono e saranno alimentate a gas naturale La penetrazione del gas naturale per la generazione di calore nel settore residenziale, terziario, PMI è fortissima La microcogenerazione, se correttamente realizzata, è una misura di risparmio energetico, produce beni che sostituiscono altri già prodotti a gas naturale, quindi la sua diffusione andrà a diminuire, non certo ad aumentare il consumo complessivo di gas naturale

21 Gli ostacoli sono molteplici e di varia natura 21 Economici: oggi i microcogeneratori sono prodotti in piccola serie e, non godendo delle economie di scala, hanno costi specifici molto elevati; questi costi lievitano paurosamente quando si passa dal package all impianto completo Tecnologici: esistono alcuni modelli promettenti di microcogeneratori di varia tipologia, alcuni già commercializzati, ma servono progressi tecnologici in termini di rendimenti, affidabilità e manutenzione, livelli emissivi Normativo-tariffari. Ne citiamo alcuni: l interfaccia di un microgeneratore con la rete elettrica in BT è un problema aperto e complesso, non impossibile da risolvere (si pensi all ottima soluzione trovata per gli impianti fotovoltaici), ma serve trovare una soluzione tecnica che concili le esigenze di sicurezza della rete con i costi la valorizzazione dell energia ceduta alla rete (basterebbe adottare un reverse metering factor unitario, vale a dire attribuire all energia ceduta alla rete il valore istantaneo di acquisto, per far decollare questo mercato)

22 Un punto fondamentale che va affrontato (nessuno ne parla) 22 E indispensabile incentivare economicamente i distributori di energia elettrica a bassa-media tensione, perché modifichino il loro naturale atteggiamento di ostilità verso la microcogenerazione, che oggi è indubbiamente vista come un motivo di disturbo e complicazione Il passaggio da rete passiva a rete attiva non è semplice, né indolore, né a costo zero. La presenza di una molteplicità di generatori su una rete ne migliora l affidabilità e offre importanti opportunità nei periodi di punta della richiesta elettrica (si pensi ai recenti mini blackout estivi milanesi)

23 Un esempio di microcogeneratore 23 Power output Heat output Electric system Electrical efficiency Thermal efficiency Maximum input Dimensions (mm) Mass Noise level Durability Frequency of periodic inspections Gas engine (power generating unit) 1 kw 3.25 kw 1 phase, 3 wires, 200/100 V, 60 Hz 20% (LHV) 65% (LHV) 5.5 kw D380 W580 H kg 44 db (A) 20,000 hours or 10 years 6,000hours (Approx. 3 years) Generator Engine Oil Tank Gas Engine Package