Cogenerazione ad alto rendimento: prospettive, applicazioni e vantaggi per le imprese. La cogenerazione industriale in Italia.

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1 Cogenerazione ad alto rendimento: prospettive, applicazioni e vantaggi per le imprese La cogenerazione industriale in Italia Dipartimento di Energia - Politecnico di Milano Mantova - 29 ottobre 2014

2 CONTENUTI DELLA PRESENTAZIONE 2 Premesse termodinamiche/tecnologiche Il quadro attuale (dati Terna 2013) per impianti di grande taglia Il quadro attuale della cogenerazione nella generazione distribuita (GD < 10 MVA, dati AEEG 2012) Il quadro attuale della cogenerazione di piccola taglia (PG < 1 MW el, dati AEEG 2012) Le prospettive della micro-cogenerazione (MG<50 kw el, dati inesistenti)

3 PERCHÉ TANTO ENTUSIASMO PER LA COGENERAZIONE, IN SEDE EUROPEA E INTERNAZIONALE? 3 Perché è imbattibile in termini di risparmio energetico (se ben applicata) E facile, senza grandi sforzi tecnologici, fare meglio dei migliori impianti per sola generazione di energia elettrica (guadagnare un punto di rendimento con impianti convenzionali è un impresa ardua, guadagnarne molti con la cogenerazione è facile) Perché i risparmi energetici corrispondono a importanti benefici ambientali (locali e planetari) Gran parte della cogenerazione è basata sul gas naturale, il combustibile più pulito e utilizza turbine a gas, le macchine dove si realizza la miglior combustione (minori quantità di NOx) Anche i motori alternativi a gas hanno fatto progressi formidabili in termini di abbattimento di emissioni Perché i risparmi energetici corrispondono a importanti benefici ambientali (locali e planetari) Minori emissioni di gas serra

4 Rendimento elettrico, % Le tecnologie di oggi e di domani (combustibili fossili) Celle a combustibile (Cap.5) Cicli ibridi con FC + turbina a gas (Cap. 5.6) Cicli combinati Mot. Stirling (Cap. 3) PEM SOFC PAFC MCFC TV TG HD USC e IGCC TPV (Cap. 6) Micro-turbine a gas (Cap. 4) TG AD Motori a c.i (Cap. 3.1) MICRO MINI Taglia impianto [kw]

5 GRANDI RISPARMI, SENZA MIRACOLI TECNOLOGICI! 5 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%

6 Cogenerazione (tutte le taglie) Tecnologia dominante = CC DATI 2012 (da AEEG) 6

7 Rapporti energia elettrica e calore (DATI 2012 (da AEEG) Tutti più alti del valore ottimale per il risparmio energetico 7 Tutti più alti del valore ottimale per il risparmio energetico!

8 Il quadro complessivo della cogenerazione in Italia (2013) 8 con riferimento al gas naturale (dati TERNA, elaborati POLIMI). TECNOLOGIA energia elettrica lorda Calore utile eta el eta ter eta tot eta eq PES (rif. (rif.90% 52.5% e 90%) GWh % GWh % % % % % % cicli combinati , ,7 46,5 18,0 64,5 58,1 7,9 motori a C.I , ,1 38,7 32,4 71,1 60,5 8,9 Vapore a CS 380 0, ,3 23,9 49,4 73,3 52,9 0,3 Vapore a CP 265 0, ,9 11,1 70,5 81,6 51,3-0,5 turbine a gas , ,1 27,9 40,9 68,9 51,2-1,4 Totale , ,0 43,6 22,2 65,8 57,8 7,1 Totale solo produzione e.e. a gas naturale ,0 51,4 0,0 51,4 51,4-2,1 totale cicli combinati solo produzione e.e. a gas naturale ,3 0,0 52,3 52,3-0,4

9 Il quadro complessivo della cogenerazione in Italia (2013) 9 Connotati caratterizzanti: Il contributo della cogenerazione a gas naturale alla produzione termoelettrica complessiva è molto significativo (67,3 su 192,23 TWh) Si utilizza molto più GN in impianti di cogenerazione che in centrali termoelettriche per sola produzione elettrica E fortemente sbilanciata (anche se meno del passato) sulla produzione elettrica (67,3 TWh el contro 34,38 TWh t ) La tecnologia dominante è il ciclo combinato (58,0 su 67,3 TWh ) Seguono (a grande distanza) i MCI e le TG Ruolo modesto dei cicli a vapore (una volta la tecnologia dominante) Il risparmio di energia primaria, rispetto a una generazione separata moderna (rendimento medio dell attuale parco termoelettrico italiano a gas naturale, caldaie con rendimento 90%) è significativo (8,6%)

10 Il quadro complessivo della cogenerazione in Italia con riferimento al gas naturale e alla direttiva europea 10 Nessuna tecnologia raggiunge PES>10% (in media) Molti impianti esistenti potrebbero essere meglio gestiti (nessuna tecnologia in media raggiunge un rendimento totale pari a 75%) Molti impianti dissipano all ambiente troppa energia La domanda termica soddisfatta da impianti a vapore a condensazione e spillamento alimentati a gas naturale è relativamente modesta, buona parte delle trasformazioni in ciclo combinato di questi impianti è già avvenuta. Vi ancora spazio per operazioni di repowering di impianti attualmente utilizzanti cicli a vapore a contropressione

11 Come si muove il mercato (dal 2005 al 2013, dati Terna) 11 Forte incremento della produzione dei motori alternativi a combustione interna Diminuzione della produzione delle turbine a gas Quasi sparizione della produzione di impianti a contropressione

12 C è ancora spazio per la cogenerazione industriale? 12 Che frazione dei circa 15 miliardi di mc/anno (circa 150 TWh/anno) di GN destinati all industria va a generare calore in modo inefficiente? Quante caldaie industriali potrebbero essere sostituite da sistemi cogenerativi? Quali risparmi di energia primaria e di emissioni di gas clima-alteranti si potrebbero ottenere? Che frazione dei circa 30 miliardi di mc/anno destinati a civile e terziario potrebbe essere destinata a sistemi cogenerativi? Sono convinto che il potenziale sia molto interessante!

13 13 GD (< 10 MVA)

14 GENERAZIONE DISTRIBUITA Quali nuovi spazi per la generazione distribuita? 14 TG Sottostazioni MOTORI Motori MOTORI Fuel cell Utenze Commerciali BATTERIE Volani FUEL CELL Utenti residenziali Turbina a Gas Utenze Commerciali Utenze Industriali

15 Impianti con potenza < 10 MVA (fonte: AEEG) Diminuita la produzione da combustibili fossili

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17 Cogenerazione GD (<10MVA) nel

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19 19 PG < 1 MW el

20 Piccola generazione: boom delle rinnovabili, non della cogenerazione

21 21 Piccola generazione: boom delle rinnovabili, non della cogenerazione

22 PG: Dominano i motori alternativi 22

23 Dai grandi impianti ai micro-impianti 23 Non c è solo la grande cogenerazione industriale L Italia è piena di PMI Terziario Residenziale

24 Ci piacerebbe che, fra dieci anni, migliaia (milioni?) di 24 cucine italiane si presentassero così. Fra gli elettrodomestici, anche un microcogeneratore inserito nella cucina 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 motore Stirling (o altro microcogeneratore)

25 Tutte le tecnologie consentono risparmi energetici importanti, se operano con recupero integrale del calore 25 Recupero termico realistico

26 Un laboratorio del dipartimento di Energia del Politecnico di Milano

27 L interno della cella di prova del laboratorio di microcogenerazione (da 1 kwe a 100 kwe) Prove su ogni tipologia di microcogeneratore e trigeneratore

28 Impianto idraulico Sala controllo