La tecnologia della cogenerazione - aspetti tecnici ed ambientali -

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1 La tecnologia della cogenerazione - aspetti tecnici ed ambientali - C. M. Invernizzi Dipartimento di Ingegneria Meccanica e Industriale - Università degli Studi di Brescia - via Branze, 38 Centrale a biomassa di Tirano Tirano, 2 luglio 2010

2 Outline 1 La produzione di energia termica 2 La produzione di energia elettrica 3 La cogenerazione 4 Esempi 5 Conclusioni

3 La produzione di energia termica Il bilancio energetico, I LA CONSERVAZIONE DELLA ENERGIA Q e = Q u + Q d Q e - energia in entrata 1 apportata dal combustibile 2 pompe di circolazione 3... Q u - energia (calore) utile Q d - energia (calore) perduto

4 La produzione di energia termica Il bilancio energetico, II L EFFICIENZA ENERGETICA η = Q u Q d valori di riferimento: η = η TH,C,CIV = 0.8: per il settore civile η = η TH,C,IND = 0.9: per il settore industriale C : convenzionale

5 La produzione di energia termica Il bilancio energetico: Esempio Q UA utilizzatore alta temperatura Q UB utilizzatore bassa temperatura P F potenza del combustibile. EFFICIENZA: η = (Q UA + Q UB )/P F = ENERGIA PRIMARIA CONSUMATA: EP = 1/η = 1.11

6 L exergia chimica Il Secondo Principio della Termodinamica, I L EXERGIA DEI COMBUSTIBILI ex = g (T 0, P 0 ) + lavoro delle turbine lavoro del compressore ex = g R (T 0, P 0 ) g P (T 0, P 0 ) + i LHV N i R u T 0 ln P 0 P 0,i

7 L exergia chimica Il Secondo Principio della Termodinamica, II L EXERGIA DEI COMBUSTIBILI Combustibile (fase) LHV g (T 0, P 0 ) ex (kj/mol) (kj/mol) (kj/mol) idrogeno (g) (0.98) (0.96) carbonio (s) (1.00) (1.04) metano (g) (1.02) (1.03)

8 L exergia del calore I sistemi ciclici di conversione di energia termica in energia meccanica, I IL SISTEMA CICLICO DIRETTO (MOTORE) a partire da calore (o combustibile) Q h, disponibile alla temperatura T h produce lavoro meccanico W scaricando il calore residuo Q c, alla temperatura T c (ambiente)

9 L exergia del calore I sistemi ciclici di conversione di energia termica in energia meccanica, II IL SISTEMA CICLICO DIRETTO (MOTORE) ( Ẇ = Q h 1 T ) a T h Ẇ max = Q h ( 1 T a T h EX d ) η max = Ẇmax Q h = 1 T a T h Ẇ max rappresenta il valore exergetico del calore Q h, con l ambiente alla temperatura T a

10 La produzione di energia termica Il bilancio exergetico: Esempio, II le temperature medie termodinamiche di utilizzo del calore: T QUA = 734 C T QUB = 42.5 C l exergia associata alle potenze termiche utili ex QUA = Q UA MW ex QUB = Q UB MW l exergia per unità di potenza termica utile ex = ex Q UA +ex QUB Q UA +Q UB = l exergia consumata (in combustibile): EP = 1/η = 1.11 l energia primaria consumata (in più) rispetto al caso ideale: EP /ex = 1.70

11 La produzione di energia elettrica I bilanci energetico ed exergetico: Esempio la conservazione della energia Q in = W + Q out il Secondo Principio della Termodinamica Q out 0 le temperature termodinamiche: T h = 198 C T c = 42.5 C il rendimento η = W Q in = 1 Q out Q in 1 T c T h = 0.33

12 La produzione di energia termica ed elettrica Esempio: Impianto di recupero da una fornace con motore a fluido organico Q UA utilizzatore alta temperatura Q UB utilizzatore bassa temperatura PEM potenza meccanica P F potenza del combustibile. EFFICIENZA: η = (Q UA + Q UB + PEM)/P F = 0.92

13 La cogenerazione Definizioni, I il processo di cogenerazione deve realizzare un più razionale uso dell energia primaria rispetto a processi che producono separatamente le due forme di energia. La produzione di energia meccanica/elettrica e calore deve av- COGENERAZIONE: insieme di operazioni orientate alla produzione combinata di energia meccavenire in modo sostanzialmente interconnesso in cascata nica/elettrica e calore, entrambi 1 considerati effetti utili, partendo con motore topping da una qualsivoglia sorgente di energia 2 con motore bottoming

14 La cogenerazione Definizioni, II I PARAMETRI DI MERITO η EL = W F η TH = Q U F I E = W Q U η I = W + Q U = η EL + η TH F η II W + Q U (1 T 0 /T X ) F Q U (1 T 0 /T X ): equivalente meccanico di Q U η I, η II : rendimenti di Primo e Secondo Principio

15 La cogenerazione Definizioni, III flussi di energia che soddisfano la stessa utenza con un sistema cogenerativo e con generazione separata C : convenzionale F C = F WC + F QC I PARAMETRI DI MERITO IRE = F C F F C F = 1 F WC + F QC F = 1 W /η EL,C + Q U /η TH,C IRE: Indice di Risparmio Energetico combustibile risparmiato

16 La cogenerazione Definizioni, IV I PARAMETRI DI MERITO - secondo AEGG 42/02 p fattore di perdita in rete dipende tensione di allacciamento immessa in rete o autoconsumata IRE = 1 F F C min value F C = W η EL,C p + Q U,CIV η TH,C,CIV + Q U,IND η TH,C,IND η EL,C dipende dalla potenza dal combustibile

17 La produzione combinata di energia termica ed elettrica Esempio: Impianto di recupero da una fornace con motore a fluido organico (1) η EL = (2) η TH = (3) I E = (4) η I = 0.92 (5) η II = (6) IRE = 0.053

18 La produzione combinata di energia termica ed elettrica Esempio: Motore a combustione interna con recupero di calore (1) η EL = (2) η TH = (3) I E = (4) η I = (5) η II = (6) IRE = 0.426

19 La produzione combinata di energia termica ed elettrica Esempio: Impianto a vapore a contropressione (due livelli) e condensazione (1) η EL = (2) η TH = (3) I E = (4) η I = (5) η II = (6) IRE =

20 La produzione combinata di energia termica ed elettrica Gli esempi A, B, C A, B, C η I sempre molto elevati C basso η EL (recupero termico a LT) C in assoluto il miglior η II (calore ad HT + EE)

21 La produzione combinata di energia termica ed elettrica Gli esempi A, B, C Esempio I E IRE η II A B C difficile valutare univocamente dal punto di vista termodinamico un impianto di cogenerazione grandi differenze nelle prestazioni elevati IRE per calore a bassa temperatura buona qualità termodinamica per calore ad alta temperatura difficoltà tecnologiche (da vincoli termodinamici) nella produzione di lavoro da recupero di calore a bassa temperatura

22 La cogenerazione Le tecnologie disponibili rendimento elettrico-potenza per sistemi di generazione della energia, [4]

23 La cogenerazione Gli impianti cogenerativi italiani Rendimento elettrico-rendimento termico per gli impianti cogenerativi italiani. Le linee (A) e (B) rappresentano il luogo dei punti con IRE = 0.0 per due valori diversi di η EL,rif. Dati GRTN 2003.

24 La cogenerazione Riassunto e Conclusioni, I 1 La cogenerazione è la generazione simultanea in un unico processo di energia termica ed elettrica (ed eventualmente meccanica). La cogenerazione utilizza sistemi di generazione tradizionali ad esempio: motori a combustione interna, turbine a vapore, turbine a gas, cicli combinati... 2 Parte del calore prodotto viene recuperato e riutilizzato per usi diversi dalla generazione elettrica ad esempio: usi industriali, teleriscaldamento...

25 La cogenerazione Riassunto e Conclusioni, II In definitiva 3 La cogenerazione consente di accoppiare due produzioni diverse, la generazione elettrica (ed eventualmente meccanica) e la generazione termica, in un unico processo consentendo un miglioramento dell efficienza energetica e quindi un minore impatto ambientale Per Cogenerazione ad Alto Rendimento (CAR) si intende la produzione di energia elettrica e termica (o meccanica) che rispetti precisi vincoli in termini di risparmio energetico e produzione minima di energia termica definiti nel D.Lgs. 8 febbraio 2007, n 20. Fino al 2010 i criteri per il riconoscimento della CAR corrispondono con quelli stabiliti dalla Delibera dell Autorità per l Energia Elettrica e il Gas (AEEG) n. 42/02 e successive modifiche ed integrazioni.

26 La cogenerazione Riassunto e Conclusioni, III 4 Con piccola cogenerazione si indicano le unità di cogenerazione con capacità di generazione installata inferiore a 1 MWe 5 Con micro-cogenerazione si intendono invece le unità di cogenerazione con capacità di generazione installata inferiore a 50 kwe

27 La cogenerazione Riassunto e Conclusioni, IV VANTAGGI RICONOSCIUTI ALLA COGENERAZIONE In ambito nazionale, la cogenerazione, riconosciuta secondo le modalità della deliberazione AEEG n. 42/02 e successive modifiche ed integrazioni, accede ai benefici previsti dalla normativa ed elencati di seguito (a) l esonero dall obbligo di acquisto dei certificati verdi previsto per i produttori e gli importatori di energia elettrica con produzioni e importazioni annue da fonti non rinnovabili eccedenti i 100 GWh (b) la precedenza, nell ambito del dispacciamento, dell energia elettrica prodotta da cogenerazione rispetto a quella prodotta da fonti convenzionali

28 La cogenerazione Riassunto e Conclusioni, V VANTAGGI RICONOSCIUTI ALLA COGENERAZIONE (c) la possibilità di ottenere, nel caso in cui l impianto sia realizzato da società di servizi energetici o da distributori di energia elettrica e gas, i titoli di efficienza energetica (certificati bianchi: certificati di efficienza energetica) (d) agevolazioni fiscali sull accisa del gas metano utilizzato per la cogenerazione (e) la possibilità di accedere al servizio di scambio sul posto dell energia elettrica prodotta da impianti di cogenerazione ad alto rendimento con potenza nominale fino a 200 kw

29 La cogenerazione Riassunto e Conclusioni, VI VANTAGGI RICONOSCIUTI ALLA COGENERAZIONE (f) la possibilità di applicare condizioni tecnico-economiche per la connessione semplificate Inoltre, con l approvazione della finanziaria 2007 è stata abolita la possibilità di emettere CV per gli impianti di cogenerazione abbinati al teleriscaldamento (art. 1, comma 71 della Legge n. 239/2004), fatti salvi i diritti acquisiti come definito dal D.Lgs. 8 febbraio 2007, n 20 all art. 14.

30 La cogenerazione Riassunto e Conclusioni, VII I BENEFICI AMBIENTALI la cogenerazione comporta (se correttamente gestita) significativi vantaggi in termini di risparmio di energia primaria. Ne consegue una minore emissione di gas serra (CO 2 ), anche con riferimemto allo stesso combustibile (per esempio, gas naturale). In realtà per la generazione separata di energia elettrica (sostituita dalla cogenerazione) si utilizza un mix di combustibili che potrebbe portare ad una maggiore emissione specifica di CO 2

31 La cogenerazione Riassunto e Conclusioni, VIII I BENEFICI AMBIENTALI le emissioni specifiche di sostanze nocive (NO x, SO 2...) di un sistema cogenerativo devono essere inferiori (non superiori, almeno) rispetto al quelle caratterizzanti il parco delle centrali termoelettriche funzionanti le emissioni specifiche devono anche essere inferiori a quelle delle caldaie che i sistemi cogenerativi vanno a sostituire

32 Giovanni Lozza Turbine a gas e cicli combinati Seconda Edizione, Progetto Leonardo, Bologna, Ottobre 2007 Ennio Macchi, Piero Maria Pellò, Evandro Sacchi Cogenerazione e Teleriscaldamento - Aspetti termodinamici ed economici clup, Milano, Andrea Galliani, Ernesto Pedrocchi Analisi exergetica Polipress Politecnico di Milano, Ennio Macchi, Stefano Campanari, Paolo Silva La microgenerazione a gas naturale Polipress Politecnico di Milano, 2005.

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