Ing. Francesco Melino. CIRI Energia e Ambiente U.O. Bioenergie Università di Bologna. 11 febbraio 2014
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1 Gestione delle risorse: Energia Ing. Francesco Melino CIRI Energia e Ambiente U.O. Bioenergie Università di Bologna 11 febbraio 2014
2 La cogenerazione produzione combinata, in un unico processo, di energia elettrica/meccanica e calore combustibile SISTEMA COGENERATIVO energia elettrica energia meccanica??? Autoconsumo/immissione Tensione di generazione calore di scarto energia termica utilizzo diretto o tramite vettore termico per usi civili o industriali
3 Dalle FEP all energia utile all uomo Elettromagnetica Chimica Atomica Termica Meccanica Energia solare Biomasse e rifiuti Combustibili fossili Nucleare Energia geotermica Energia eolica Energia idraulica Maree Moto ondoso fissione e fusione sistemi eliotermici combustione Energia Termica frigoriferi ad assorbimento Energia Frigorifera sistemi fotovoltaici reformer Sistemi energetici a ciclo termodinamico celle a combustibile Energia Meccanica macchine elettriche Energia Elettrica motori eolici e idraulici sistemi TPV, termoionici e termo-elettrici frigoriferi a compressione elettrolisi Idrogeno 3
4 Dalle FEP all energia utile all uomo i Energia Primaria [Mtep] 4Consumo Mondiale di Fabbisogno Energetico: Mtep (2012) Popolazione: 6 Miliardi di Persone -> Procapite: 2 tep/persona/anno
5 Dalle FEP all energia utile all uomo Consumo pro-capite di energia primaria per area geografica 5
6 Dalle FEP all energia utile all uomo altre rinnovabili idraulica 2% 1% 6% nucleare MIX Energetico biomasse e rifiuti 10% 25% carbone gas 21% 35% olio 6
7 Bilancio elettrico nazionale nel 2012 (dati GSE) 7
8 I numeri italiani della produzione elettrica (2012) Totale = GWh produzione (87 %) importazioni (13 %) termoelettrica (68 %) altro (32 %) solo elettrica (53 %) cogenerazione (47 %)
9 Le tecnologie Cicli ibridi con FC + turbina a gas Rendimento elettrico % Stirling ORC Celle a combustibile TV TG AD Cicli combinati TG HD USC e IGCC 10 0 TPV Micro-turbine a gas Taglia impianto [kw] Motori endotermici alternativi
10 Ubicazione del cogeneratore I combustibili sono una fonte energetica trasportabile (anche se in taluni casi questo può risultare economicamente e/o energeticamente non conveniente) L elettricità è un vettore energetico trasportabile Il calore non è trasportabile (se non a brevi distanze) IL COGENERATORE DEVE ESSERE UBICATO PRESSO L'UTENZA TERMICA
11 Definizioni di generazione distribuita e di piccola e micro generazione Generazione distribuita: insieme degli impianti di generazione di potenza nominale inferiore ai 10 MVA (Delibera AEEG 328/07) Impianto di piccola/micro generazioneun impianto per la produzione di energia elettrica, anche in assetto cogenerativo, con capacità di generazione non superiore a 1 MW o a 50 kw (D.Lgs. n 20 del 8/2/2007)
12 Tabella Potenza elettrica installata per settore di attività (dati GSE, anno 2006) Potenza elettrica installata per settore di attività (dati GSE) Attività Le applicazioni della cogenerazione taglia media (MWe) Potenza installata (MWe) Industria chimica e petrolchimica Raffinazione petrolio Industria cartaria Industria siderurgica Industria alimentare Industria automobilistica Industria ceramica Riscaldamento e teleriscaldamento 12.5 Impianti sportivi, alberghi e ristoranti 0.1 Commercio 0.5 Ospedali 1 Case di riposo e simili 1.5 Concerie 2.0 Industria tessile, gomma e plastiche 3.0 Industria elettronica 9.0 Trasporti aerei
13 LA PICCOLA-COGENERAZIONE applicazioni Generazione continua in parallelo con la rete elettrica nazionale ( grid connected ) Generazione continua ad isola Stand-by per garantire sicurezza nella fornitura elettrica Peakshaving per far fronte ad elevate richieste di potenza per periodi di tempo limitato Power quality per garantire tensione e frequenza costante a salvaguardia di un processo produttivo
14 LA PICCOLA-COGENERAZIONE vantaggi Vantaggi economici Risparmi sui costi energetici (acquisto della materia prima combustibile invece del prodotto finito energia elettrica ) L accesso al regime di sostegno per la CAR Vantaggi di natura energetica Riduzione delle perdite energetiche nel trasporto Risparmio di combustibile (CAR) Vantaggi di carattere ambientale Riduzione delle grosse infrastrutture per il trasporto ed elettrosmog Rimozione della sindrome NIMBY Sfruttamento di siti rinnovabili Vantaggi per la sicurezza e la qualità dell approvvigionamento elettrico Riduzione del rischio di black-out Alleggerimento del carico di alcune reti elettriche
15 LA PICCOLA-COGENERAZIONE problematiche Per l installatore Iter autorizzativi Aspetti economici (elevato costo specifico delle soluzioni più innovative, scarsa valorizzazione dell energia elettrica ceduta alla rete, ecc.) Conciliazione della domanda elettrica/termica/ frigorifera (scelta della taglia e della tipologia di impianto) Per il sistema elettrico e del gas Impatto sul sistema elettrico (utilizzo delle reti di distribuzione in maniera attiva e non più passiva) Necessità di potenziare reti di distribuzione del gas Per gli enti locali Introduzione di nuove sorgenti emissive in aree urbane o comunque densamente popolate
16 Quadro normativo nazionale per la Cogenerazione ad Alto Rendimento (CAR) 16
17 Cogenerazione ad Alto Rendimento (CAR) Decreto Bersani AEEG 42/ /8/CE D.Lgs. 20/07 decreti MSE 4/8/2011 e 5/9/ aprile mar gen 2011 Le unità di cogenerazione entrate in esercizio dopo il 1 gennaio 2011 sono considerate CAR se rispondono ai requisiti del decreto 4 agosto 2011 Le unità di cogenerazione entrate in esercizio tra il 7 marzo 2007 e il 31 dicembre 2010 sono ammesse ai benefici del decreto 5 settembre 2011 se CAR oppure se riconosciute cogenerative secondo la delibera AEEG 42/02 e successive modifiche ed integrazioni Le unità di cogenerazione entrate in esercizio tra il 1 aprile 1999 e il 7 marzo 2007 sono ammesse ai benefici del decreto 5 settembre 2011 se riconosciute cogenerative ai sensi delle norme applicabili alla data di entrata in esercizio 17
18 Condizioni energetiche per la CAR Risparmiare combustibile... PES > PESlim... e soddisfare una richiesta di calore utile energia elettrica da cogenerazione 18
19 Risparmio di combustibile PES = 1 E c Ee E + t η es p η ts > 0,1 0 per la piccola cogenerazione (P e < 1 MW) Tipo di combustibile CARBONE FOSSILE COMBUSTIBILI A BASE DI LEGNO BIOMASSE AGRICOLE GAS NATURALE GAS DI RAFFINERIA/IDROGENO BIOGAS 19 η es 44,2 33,0 25,0 52,5 44,2 42,0 p = p im E E e,im e,im + p + E ac E e,ac e,ac p im p ac <0,4 kv 0,925 0,860 0,4-50 kv 0,945 0, kv 0,965 0, kv 0,985 0,965 >200 kv 1 0,985
20 PES = Risparmio di combustibile 1 E c Ee E + t η es p η ts > 0,1 0 Gas naturale con produzione di vapore o acqua calda η ts = 90 % per la piccola cogenerazione (P e < 1 MW) Tipo di combustibile CARBONE FOSSILE COMBUSTIBILI A BASE DI LEGNO BIOMASSE AGRICOLE GAS NATURALE GAS DI RAFFINERIA/IDROGENO BIOGAS 20 η es 44,2 33,0 25,0 52,5 44,2 42,0 p = p im E E e,im e,im + p + E ac E e,ac e,ac p im p ac <0,4 kv 0,925 0,860 0,4-50 kv 0,945 0, kv 0,965 0, kv 0,985 0,965 >200 kv 1 0,985
21 Elettricità da cogenerazione e calore utile Solo parte dell energia elettrica prodotta viene riconosciuta come «ELETTRICITA DA COGENERAZIONE» Esempi di calore utile: calore utilizzato in processi industriali calore utilizzato per riscaldamento o raffrescamento di ambienti gas di scarico utilizzati direttamente per essiccare Esempi di calore NON utile: calore disperso da camini o dissipato in condensatori o altri dispositivi di smaltimento calore utilizzato per il funzionamento dell impianto di cogenerazione calore esportato verso altri siti e ivi utilizzato per produrre elettricità calore di ritorno all impianto di cogenerazione che produce acqua calda il calore delle condense di ritorno è considerato calore utile 21
22 Elettricità da cogenerazione e calore utile η tot = η e + η t < η η lim lim TUTTA l elettricità prodotta viene considerata «da cogenerazione» PARTE dell elettricità prodotta viene considerata «da cogenerazione» E COG = CE T η lim = 0,80 0, 75 cicli combinati e TV a condensazione tutti gli altri 22
23 Il recupero termico: la condizione per essere CAR Piccola cogenerazione a gas naturale con MCI e 100 % di autoconsumo in BT 1.0 η t 0.8 BT 0.6 η tot = 0.75 η tot = C = 0.75 PES= η 0.5 e
24 Il recupero termico: la condizione per essere CAR Piccola cogenerazione a gas naturale con MCI e 100 % di autoconsumo in BT 1.0 η t 0.8 BT 0.6 Come si posizionano i cogeneratori in commercio (dati di targa) Recupero Termico 100% del totale disponibile Recupero termico totale η 0.5 e
25 Il recupero termico: la condizione per essere CAR Piccola cogenerazione a gas naturale con MCI e 100 % di autoconsumo in BT 1.0 η t 0.8 BT 0.6 Come si posizionano i cogeneratori in commercio (dati di targa) Recupero Termico 75% del totale disponibile Recupero termico pari al 75 % del totale η 0.5 e
26 Il recupero termico: la condizione per essere CAR Piccola cogenerazione a gas naturale con MCI e 100 % di autoconsumo in BT 1.0 η t 0.8 BT 0.6 Come si posizionano i cogeneratori in commercio (dati di targa) Recupero Termico 50% del totale disponibile Recupero termico pari al 50 % del totale η 0.5 e
27 Regime di sostegno alla cogenerazione Certificati Bianchi (secondo D.M. 5/9/11 o, se rinnovabili, premio previsto al DM 6/7/2012) Defiscalizzazione sull acquisto del combustibile per uso cogenerativo (anche per i non CAR) Ritiro dedicato fino a 10 MVA e scambio sul posto fino a 200 kwe, (AEEG 570/2012/R/eel) Contributi regionali Condizioni agevolate per la connessione elettrica Esenzione dalla quota di energia per il calcolo dei Certificati Verdi (sopra i 100 GWh/anno) Priorità di dispacciamento (anche per chi non è CAR, ma ha taglia < 10 MVA) Garanzia di Origine (GO)
28 I certificati bianchi CB (tipo II) = RISP 0, 086 K RISP = E e, cog η es Et + η ts E c, cog [MWh] η η es ts = 0.46 p 0.82 = 0.90 Potenza unità di cogenerazione 1 MWe 1,4 > 1 fino a 10 MWe 1,3 > 10 fino a 80 MWe 1,2 > 80 fino a 100 MWe 1,1 > 100 MWe 1,0 K
29 I certificati bianchi 16 MWhe 14 Potenza < 1 MW autoconsumo in BT η tot CB = 0.8 = 100 tep Potenza = 25 MW immissione e autoconsumo MT Potenza > 100 MW immissione rete AT rendimento elettrico
30 La defiscalizzazione del combustibile Quantità di combustibile defiscalizzato: 0,22 Sm 3 di combustibile per ogni kwhe prodotto Risparmio conseguibile: da 3 a 45 /MWhe in base all accisa prevista per l utenza Accisa su GN per usi industriali e assimilati o civili da 0.01 a 0.20 /Sm3 Accisa su GN per generazione elettrica /Sm3
31 Vendita delle eccedenze elettriche Il quadro normativo riguardante la vendita del surplus elettrico dipende da ogni singola applicazione e non è possibile fare previsioni attendibili sui ricavi da essa derivanti. Le metodologie di vendita dell energia elettrica prodotta in surplus sono: Libero mercato: vendita diretta in borsa o tramite accordi bilaterali; Ritiro dedicato: modalità e condizioni economiche definite dall AEEG (P<10 MVA); Scambio sul posto: C.A.R potenza elettrica inferiore a 200 kw (Tariffa fissa Omnicomprensiva solo se alimentati da fonti rinnovabili con potenza elettrica fino a 1 MWe.)
32 Vendita delle eccedenze elettriche Il quadro normativo riguardante la vendita del surplus elettrico dipende da ogni singola applicazione e non è possibile fare previsioni attendibili sui ricavi da essa derivanti. Le metodologie di vendita dell energia elettrica prodotta in surplus sono: Libero mercato: vendita diretta in borsa o tramite accordi bilaterali; Ritiro dedicato: modalità e condizioni economiche definite dall AEEG (P<10 MVA); Scambio sul posto: C.A.R potenza elettrica inferiore a 200 kw (Tariffa fissa Omnicomprensiva solo se alimentati da fonti rinnovabili con potenza elettrica fino a 1 MWe.)
33 Ma allora, conviene o no la cogenerazione? Dati economici ed energetici Costo dell investimento = 900 /kw Vita impianto = 15 anni Tasso interesse = 5% rendimento elettrico annuo = 36% rendimento termico annuo = 40% Costo del gas = 30 /MWh gas Costo manutenzione = 10 /MWhe 350 /MWh costo produzione ore di esercizio annue
34 Ma allora, conviene o no la cogenerazione? Dati economici ed energetici Costo dell investimento = 900 /kw Vita impianto = 15 anni Tasso interesse = 5% rendimento elettrico annuo = 36% rendimento termico annuo = 40% Costo del gas = 30 /MWh gas Costo manutenzione = 10 /MWhe 350 /MWh costo produzione ricavi autoconsumo + defiscalizzazione ore di esercizio annue
35 Ma allora, conviene o no la cogenerazione? Dati economici ed energetici Costo dell investimento = 900 /kw Vita impianto = 15 anni Tasso interesse = 5% rendimento elettrico annuo = 36% rendimento termico annuo = 40% Costo del gas = 30 /MWh gas Costo manutenzione = 10 /MWhe 350 /MWh costo produzione ricavi autoconsumo + defiscalizzazione ricavi autoconsumo + defiscalizzazione senza recupero termico ore di esercizio annue
36 Ma allora, conviene o no la cogenerazione? Dati economici ed energetici Costo dell investimento = 900 /kw Vita impianto = 15 anni Tasso interesse = 5% rendimento elettrico annuo = 36% rendimento termico annuo = 40% Costo del gas = 30 /MWh gas Costo manutenzione = 10 /MWhe 350 /MWh costo produzione ricavi autoconsumo + defiscalizzazione ricavi autoconsumo + defiscalizzazione senza recupero termico ricavi vendita + defiscalizzazione ore di esercizio annue
37 Ma allora, conviene o no la cogenerazione? Dati economici ed energetici Costo dell investimento = 900 /kw Vita impianto = 15 anni Tasso interesse = 5% rendimento elettrico annuo = 36% rendimento termico annuo = 40% Costo del gas = 30 /MWh gas Costo manutenzione = 10 /MWhe 350 /MWh costo produzione ricavi autoconsumo + defiscalizzazione ricavi autoconsumo + defiscalizzazione senza recupero termico ricavi vendita + defiscalizzazione ricavi vendita + defiscalizzazione senza recupero termico ore di esercizio annue
38 Un esempio applicativo Oggetto: Centro Direzionale Zona Climatica: E (2258 GG) anno termico: 15 ottobre 15 aprile Superficie Totale: 6000 m 2
39 Un esempio applicativo Codice di Calcolo: TRIGEN 3.0 Sviluppato dal gruppo di Sistemi e Macchine per L Energia e l Ambiente del DIN Università di Bologna in ambiente VBA con interfaccia in Excel Profili di Carico Scenario Tariffario RISULTATI ENERGETICI Indicazioni Località Criteri Regolazione Caso Riferimento TRIGEN 3.0 Scenario Economico Lay out RISULTATI ECONOMICI
40 Un esempio applicativo Codice di Calcolo: TRIGEN 3.0
41 Un esempio applicativo UTENZA TERZIARIA: fabbisogno invernale 200 potenza elettrica Potenza richiesta [kw] potenza termica ore/settimana
42 Un esempio applicativo UTENZA TERZIARIA: fabbisogno estivo 200 potenza frigorifera potenza elettrica Potenza richiesta [kw] potenza termica ore/settimana
43 Un esempio applicativo UTENZA TERZIARIA: fabbisogno mezza stagione 200 Potenza richiesta [kw] potenza termica potenza elettrica ore/settimana
44 Un esempio applicativo Scelta del Motore 200 potenza elettrica Potenza richiesta [kw] potenza termica ore/settimana
45 Un esempio applicativo UTENZA TERZIARIA: fabbisogno invernale 200 potenza elettrica Potenza richiesta [kw] potenza termica ore/settimana P EL Q TH P EL =30 kw η EL =29 % Q TH =64 kw
46 Un esempio applicativo 200 potenza elettrica Potenza richiesta [kw] potenza termica ore/settimana P EL Q TH P EL =50 kw η EL =29 % Q TH =107 kw
47 Un esempio applicativo 200 potenza elettrica Potenza richiesta [kw] potenza termica ore/settimana P EL Q TH P EL =90 kw η EL =32 % Q TH =140 kw
48 Un esempio applicativo Potenza richiesta [kw] potenza termica potenza elettrica ore/settimana P EL Q TH P EL =100 kw η EL =32 % Q TH =194 kw
49 Un esempio applicativo potenza elettrica Potenza richiesta [kw] potenza termica ore/settimana P EL Q TH P EL =125 kw η EL =35 % Q TH =197 kw
50 Un esempio applicativo CASO#1: produzione di solo calore (motore acceso solo in inverno feriali 8-19) 1.0 η t ok 2004/8/CE e 42/02 ok 42/02 - no 2004/8/CE kw 30 kw kw kw 125 kw η e 0.5
51 Un esempio applicativo CASO#1: produzione di solo calore (motore acceso solo in inverno feriali 8-19) Potenza elettrica MOTORE [kw] FLUSSO DI CASSA [ ] PBP [anni] TIR [%] VAN FINE INVESTIMENTO [ ] [ ] Potenza Elettrica Motore [kw]
52 Prof. Ing. Michele Bianchi Responsabile Unità Operativa Bioenergie - CIRI Energia e Ambiente Alma Mater Studiorum Università di Bologna Viale del Risorgimento, Bologna michele.bianchi@unibo.it Tel. Ufficio: Sito web: Ing. Francesco Melino CIRI Energia e Ambiente Alma Mater Studiorum Università di Bologna Viale del Risorgimento, Bologna francesco.melino@unibo.it Tel. Ufficio: Sito web: 52
53 Agevolazioni per la CHP: i numeri Riassunto dei valori delle agevolazioni CHP In conclusione per la CAR si ha: " incentivazione D.M. 5/9/2011, circa 15 /MWh per 10 (15 per TLR) anni. " (se rinnovabile D.M. 6/7/12 con tariffa base / MWh + premio CAR /MWh) " lo scambio sul posto, disponibile fino a 200 kw, vale da 10 a 30 /MWh, a seconda che sia a fonti fossili o a fonti rinnovabili. " priorità di dispacciamento dell energia elettrica prodotta; " esenzione dall obbligo dei CV (Produttori En. El. > 100 GWh/anno); " condizioni agevolate per la connessione elettrica; Il GSE su richiesta rilascia la Garanzia di Origine (GO) per l energia elettrica prodotta da CAR
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