ITALCOGEN Un Associazione vicina a te

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1 ITALCOGEN Un Associazione vicina a te Nuove Tecnologie per la cogenerazione Alessandro Fontana - Segretario - Rimini, 10 Novembre 2011 Federata Associazione dei costruttori e distributori di impianti di cogenerazione Federazione delle Associazioni Nazionali dell'industria Meccanica Varia ed Affine

2 Uso del calore Produzione acqua calda sanitaria per usi civili (HVAC) Teleriscaldamento/Teleraffreddamento Energia termica per processi industriali (vapore) Essicazione prodotti (uso diretto dei fumi) La destinazione d uso del calore è ovviamente più vincolante di quella elettrica per: Livelli di temperatura richiesti Problemi di trasporto energia termica n. 2 05/11/09

3 Il contributo del settore nel panorama energetico italiano: 2010 La produzione in Cogenerazione CAR in Italia risulta: ItalCogen Energia (TWh) Anno Fonte GSE/MSE EE ET La Cogenerazione in Italia allo stato attuale del sistema di regolamentazione copre il 16% della produzione nazionale ed il 20% della produzione termoelettrica Lo scenario fatto dall associazione per il periodo a perimetro costante : ITALCOGEN Un Associazione vicina a te n. 3 05/11/09

4 Specifiche di progetto Dati di input Profilo dei carichi termici ed elettrici riferimento alla curva di carico annuale Dimensionamento su carico termico Livelli termici richiesti Trigenerazione possibile aumento taglia (soddisfacimento dei carichi termici estivi e invernali) Combustibile a disposizione Disponibilità energia elettrica Analisi fattibilità: integrazione rete riscaldamento/teleriscaldamento o con rete processo industriale Emissioni n. 4 05/11/09

5 Specifiche di progetto: valutazioni tecnico/economiche Valutazioni Prezzo impianto in linea con la potenza elettrica Costo unitario si riduce ad aumento taglia Payback va stimato su consumi energia e tariffe in vigore Feedback Payback stimato su consumi energia e tariffe in vigore / VAN Con la direttiva e il decreto 20/2007 si usa il PES (Primary Energy Saving). Il nuovo parametro sostituisce gli indici IRE ed LT, rispettivamente Indice di Risparmio Energetico e Limite Termico. n. 5 05/11/09

6 Dimensionamento: Es. Carichi termici Pt (kw) Pt, media (kw) Caldaia Cogeneratore Cogeneratore Caldaia 4500 h/anno 8200 h/anno Tratto da sistemi a biomasse: progettazione e valutazione economica - Maggioli editore n. 6 05/11/09

7 Esempio piano di lavoro E /Q Disponibilità di energia meccanica e termica nelle turbine a gas e nei motori a combustione interna. Due gradi di libertà Q Linea funzionamento a max P.C. Post comb. Dissipazione calore (by pass) Linea funzionamento senza P.C. della TG/motore Ee n. 7 05/11/09

8 Le tecnologie Motori Stirling Microturbine a gas Turbina a gas con recupero di calore Motore a combustione interna Pile a combustibile Motori a vapore Cicli Rankine a fluido organico Turbina a gas a ciclo combinato con recupero di calore Turbina a vapore a contropressione Turbina a vapore a condensazione e spillamenti n. 8 05/11/09

9 Le tecnologie Efficienza elettrica % Singole abitazioni Comunità, Hotels Ospedali, Supermarket Centri Commerc. Teleriscaldamento Celle a combustibile + Micro turbine/mci PAFC (Celle a comb. con acido fosforico MCFC (carbonati fusi) Motori a C.I. Celle a combustibile con celle polimeriche Micro turbine ORC 10 Motori Stirling Potenza elettrica kw n. 9 05/11/09

10 Le tecnologie 10 Rapporto El. / Calore ,5 0,2 0,1 0,05 Cicli comb. TV conde spill. MCI recupero tot MCI recupero gas Turbine a gas ORC TV contropr. 0,02 0,01 0,1 0, Potenza elettrica kw Fonte: Sistemi a biomasse Maggioli Editore n /11/09

11 Microturbine a gas - MTG Potenze da qualche decina di kwe a qualche centinaio Bassi rapporti di compressione (3 5) Ciclo rigenerativo Compressori centrifughi, turbine centripete Basse TIT (<950 C) (espansore non raffreddato) TOT C Elevata e variabile velocità di rotazione inverter Rendimento elettrico % Rapporto Ee /Q = 0,55 0,70 Tecnologia avanzata (cuscinetti ad aria - oil free) L alimentazione degli impianti è possibile con combustibili liquidi o gassosi, fossili (gas naturale, propano, gasolio, kerosene) e rinnovabili (biogas, biodiesel, olio vegetale) Richiede eventualmente compressore gas n /11/09

12 MTG ciclo di lavoro T Q Q ex S DC E AC G Q n /11/09

13 MTG Rendimenti - Emissioni NOx CO < 20 mg/nm3 < 50 mg/nm3 n /11/09

14 Turbine a gas media taglia Maggior complessità costruttiva TIT elevate TOT C recupero termico di qualità elevata Potenze da qualche centinaio di kwe fino a decine MW Più adatte a seguire carichi costanti Applicazioni in cicli a recupero semplice o in cicli combinati Generazione potenza meccanica e termica indipendenti n /11/09

15 TG Schema recupero termico By pass G Turbina a gas Post combustione Utenza termica n /11/09

16 Motori a Combustione Interna - MCI Tecnologia consolidata Bassi costi Buoni rendimenti elettrici, anche a carichi parziali Potenze da pochi kw a qualche decina di MW Capacità di seguire rapidamente le variazioni di carico (motore e inverter) Compatto Ciclo Otto, Diesel (taglia, comb.le) Generazione potenze meccanica e termica indipendenti Flessibilità nell alimentazione (da gas poveri a oli pesanti) Manutenzione maggiore delle TG Emissioni (combustione non stazionaria) Vibrazioni e rumore Scarsa capacità di soddisfare utenze termiche ad alta temp. (>150 C) Motori a gas Motori Diesel NOx CO NOx (g/kwh) 0, CO (g/kwh) 1,5 2,7 0,4 0,9 < 450 mg/nm3 < 500 mg/nm3 n /11/09

17 MCI schema recupero calore n /11/09

18 Intergrazione con impianto HVAC n /11/09

19 Cicli a vapore Tecnologia consolidata (300 bar, 600 C) Molto affidabili Economici (rapporto costo/kw) Diversi assetti (ruote Curtiss a salti di vel. Fino a gruppi da 660 MW impianti termoelettrici) Lunga vita utile Combustione esterna possibilità di usare qualsiasi combustibile Scarsa flessibilità operativa Impianto complesso e ingombrante taglie medio-grandi Produzione di energia meccanica e termica vincolate dall assetto di funzionamento (soprattutto schema a contropressione) n /11/09

20 TV a contropressione schema concettuale G Ritorno condense Utenza termica Reintegro Basso rapporto E/Q Un solo grado di libertà Risposta lenta Combustione esterna Diagramma tratto da sistemi a biomasse: progettazione e valutazione economica - Maggioli editore n /11/09

21 TV ciclo a spillamento - schema concettuale G Ritorno condense Utenza termica Reintegro Possibile funzionamento solo Elettrico Due gradi di libertà Risposta lenta Combustione esterna Diagramma tratto da sistemi a biomasse: progettazione e valutazione economica - Maggioli editore n /11/09

22 Cicli combinati Abbinano la tecnologia delle TG con quella delle TV Elevatissima efficienza elettrica Elevato rapporto Ee / Q Limiti su piccole taglie per complessità impianto (costo elevato grosse taglie) Limiti per combustibili come da TG (salvo eventuale post firing in caldaia) Possibilità di variare ampiamente il campo di lavoro Ee/Q (due gradi di libertà) n /11/09

23 Ciclo combinato schema di principio 2LP By pass G Turbina a gas Post comb. Reintegro G Ritorno condense Utenza termica n /11/09

24 Ciclo combinato - piano di lavoro Ee - Q Q Linea funzionam. a max P.C. Linea max PC con DW della TV Post comb. Dissipaz. Q TG max + estraz. vapore Linea regolaz. TG+TV a max estrazione Ee n /11/09

25 ORC principio di funzionamento n /11/09

26 ORC - peculiarità Alta efficienza del ciclo termodinamico Elevata efficienza della turbina e bassa sollecitazione meccanica della stessa Basso numero di giri della turbina collegamento diretto al generatore elettrico Nessuna erosione delle palette della turbina, dovuta all assenza di umidità negli ugelli Possibilità di recuperi termici anche da basse temperature (150 C) Affidabilità Buon rendimento anche ai carichi parziali Costi di manutenzione ridotti Lunga vita operativa Combustione esterna uso di qualunque combustibile e cascami termici n /11/09

27 ORC esempio schema d impianto n /11/09

28 Motore Stirling Motore a combustione esterna tutti i combustibili, energia solare compresa Controllo della combustione accurato Basse emissioni Poche parti in movimento, non valvole affidabile, bassa manutenzione Assenza di scoppi Silenzioso Combustione esterna superfici di scambio (peso e ingombri Potenza specifica bassa piccole applicazioni (in genere <10, fino a ~50 kwe) Difficoltà nel realizzare il ciclo ideale (due isoterme e da due isocore con rigenerazione) limitato rendimento totale. Soluzioni tecnologiche costose Inerzie termiche non adatto a rapide variazioni di regime n /11/09

29 Celle a combustibile - FC Sistemi elettrochimici di conversione dell energia chimica in elettrica (redox) eliminano problema di conversione da energia termica in meccanica Elevatissima efficienza, senza effetti di taglia Modularità e flessibilità di funzionamento Adatte a seguire variazioni di carico Silenziose Basse emissioni Costo elevato Scarsa durata Sensibilità al tipo di combustibile avvelenamento del catalizzatore n /11/09

30 Fuel cells Tabella tratta da sistemi a biomasse: progettazione e valutazione economica - Maggioli editore n /11/09

31 Taglie e costi delle principali tecnologie Internal Comb. Steam Gas Fuel Micro Engine Turbine Turbine Cells Turbine Range (KW) > Rendimento elettrico (%) (1) 35-55(4) Indice di recupero termico (2) 1-1,6 1-1,6 1 3,5 0,1 1,1 1,2 4,5 Temperature uscita fumi ( C) < Costi(3) - Investimenti ( /kwe) Costo manutenzione (c /kwhe) 1-1,5 (10 * ) ,5 10 note: (1) fino al 54% per cicli combinati a 15 C T amb. accoppiate a turbine di vapore (2) Recupero termico come rapporto tra l energia termica recuperata e l energia elettrica prodotta (3) Ipotesi associati Italcogen (4) Ipotesi di ciclo combinato accoppiate con turbine a gas o motori a combustione interna (*) sono dati orientativi per macchine di piccolissima potenza n /11/09

32 Trigenerazione Frigoriferi ad assorbimento Disponibilità energia termica Freddo Elettrico Caldo Richiesta di freddo n /11/09

33 Frigorifero ad assorbimento Qout Qout E Macchina frigorifera a compressione Q Macchina frigorifera ad assorbimento Qin Qin Input termico (acqua calda, surriscaldata, vapore, fiamma diretta) Affidabilità (nessun organo in movimento salvo le pompe di circolazione) Ridotto consumo elettrico Buone prestazioni ai carichi parziali Lunga durata Uso per HVAC, processi industriali, turbocooling n /11/09

34 Frigoriferi ad assorbimento principio di funzionamento n /11/09