COS E LA COGENERAZIONE

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1 La cogenerazione

2 COS E LA COGENERAZIONE Tutti gli impianti motori termici scaricano calore sotto forma di gas caldi o fluidi tecnologici di raffreddamento. Tale calore può essere impiegato per esigenze industriali o di riscaldamento civile: cogenerazione industriale teleriscaldamento Q comb EE IMPIANTO 100 EE + Q utile MOTORE 80 TERMICO calore utile calore perduto 20 BENEFICIO ENERGETICO: calore utile non da combustibile ma da recupero

3 PRODUZIONE DI ENERGIA CALORE combustibili caldaie generatori di vapore apparecchiature di riscaldamento produzione energia elettrica/ meccanica combustibili impianti a vapore turbine a gas impianti i combinati motori a c.i.

4 ESEMPI DI PRODUZIONE DI ENERGIA Q comb 100 CALDAIA calore utile CALORE calore perduto Q comb LAVORO UTILE 100 IMPIANTO MOTORE TERMICO lavoro utile calore perduto 45 70

5 VANTAGGIO DELLA COGENERAZIONE RISPETTO ALLA PRODUZIONE SEPARATA Q comb Q comb produzione EE EE = produzione Q comb separata = 235 produzione 200 Q u Q Q u cogenerazione 300 = Q comb EE impianto motore termico recupero 200 Q u Risparmio di combustibile: = 25 30%

6 COGENERAZIONE: alcune considerazioni al variare della tecnologia di cogenerazione, le prestazioni del sistema cogenerativo possono variare in modo sostanziale il risparmio di energia primaria può essere anche molto diverso a seconda della tecnologia e delle condizioni di utilizzo dell impianto il rapporto Q utiile /EE non può essere qualunque la cogenerazione non comporta sempre e comunque risparmi di energia primaria: potrebbero esistere situazioni possibilmente da evitare in cui l impiego più razionale dell energia del sistema cogenerativo è solo apparente (consumi di energia primaria maggiori di quelli della produzione separata ed indipendente di elettricità e calore) anche i benefici economici della cogenerazione possono variare in modo molto significativo ifi

7 COGENERAZIONE: applicabilità L applicazione i pratica della cogenerazione può diventare difficoltosa, se non impossibile, a causa di : incongruenza del calore reso disponibile dal ciclo di potenza ed il calore richiesto dall utenza (livelli di temperature) sfavorevole ubicazione del ciclo di potenza rispetto alle utenze di calore (difficoltà tecniche di trasporto e stoccaggio del calore) sfasamento temporale delle richieste di energia elettrica e calore

8 COGENERAZIONE: configurazioni di impianto Q comb Q diss impianto i EE motore termico Q diss recupero termico topping Q u l utenza termica richiede generalmente calore a temperature medio-basse, al di sotto dei C gli schemi topping coprono la quasi totalità delle applicazioni cogenerative

9 COGENERAZIONE L impiantoi motore termico è alimentato t da un combustibile fossile ed il motore primo è ascrivibile ad una delle seguenti tecnologie motori a combustione interna: motori alternativi Otto e Diesel turbine a gas cicli combinati motori a combustione esterna: cicli a vapore a contropressione cicli a vapore a condensazione e spillamento

10 COGENERAZIONE prestazioni i dei motori primi i in assetto non cogenerativo Q comb IMPIANTO A EE Q comb IMPIANTO EE 100 VAPORE CON TG fumi caldi acqua raffreddamento fumi caldi 70 Q comb Q comb IMPIANTO EE MOTORI A EE 100 COMBINATO COMB. INTERNA fumi caldi acqua raffreddamento gas caldi acqua, olio

11 COGENERAZIONE: convenienza La convenienza dell impianto non è sempre scontata. Occorre tenere presente: ENTITA delle richieste elettriche e termiche VARIABILITA delle richieste RAPPORTO tra le due richieste Tali fattori influenzano: TIPOLOGIA dell impianto TAGLIA dell impianto La variabilità delle richieste comporta: eventuali sistemi AUSILIARI di copertura conduzione a CARICO PARZIALE dell impianto

12 COGENERAZIONE: fattibilità La FATTIBILITA di un impianto di cogenerazione comporta l esame di problemi non solo tecnici, i ma anche, e soprattutto, di tipo ECONOMICO- GESTIONALE RETE ELETTRICA EE r Q comb Q comb, aux IMPIANTO MOTORE TERMICO SISTEMA AUX DI PROD. DEL CALORE EE Q scar Q u Q d Q u aux Q d aux U T E N Z A

13 COGENERAZIONE: rendimenti La definizione di rendimento di un sistema cogenerativo non può essere univoca poiché a fronte di una spesa energetica, Φ comb, si ottengono due effetti utili P e e Φ u rendimento elettrico η e = P e Φ in rendimento termico η t = Φ u Φ in indice elettrico I e = P e Φ Φ u = η e η η t in questo modo si definiscono completamente le prestazioni del sistema cogenerativo, ma è anche necessaria una rappresentazione grafica

14 COGENERAZIONE: rendimenti i campi tipicamente coperti dalle varie tecnologie di cogenerazione e dai sistemi convenzionali

15 COGENERAZIONE: rendimenti È desiderabile esprimere la prestazioni con un solo indice di merito in base al quale stilare una graduatoria della bontà di soluzioni i tecnologiche alternative ti rendimento di primo principio η I = P e +Φ u Φ in tale definizione però è fuorviante perché somma due beni che hanno valore termodinamico ed economico in genere molto diversi. Si introduce allora un altro parametro rendimento di secondo principio ( ) η II = P + Φ 1 T e u 0 T x Φ in in cui il calore è pesato con il suo equivalente meccanico. Tale parametro, però, tende ad attribuire un valore troppo basso al calore utile.

16 COGENERAZIONE: rendimenti Per definire un indice che misuri i vantaggi della cogenerazione nei confronti dei sistemi i convenzionali è necessario confrontare il loro consumo di combustibile indice di risparmio energetico IRE IRE = Φ in + Φ in Φ in = 1 Φ in + Φ in Φ in P e η e + Φ u η t Tale indice quantifica il risparmio di combustibile rispetto ad un sistema convenzionale caratterizzato dai rendimenti η e e η t. Dipende quindi non solo dalle prestazioni del sistema di cogenerazione, ma anche da quelle del sistema convenzionale di riferimento Φ' in P e produzione P Φin P e impianto di P e Φ'' Φ in produzioned i Φu cogenerazione Φu Φ u

17 COGENERAZIONE: tecnologie commerciali I motori primi per i quali esiste una consolidata esperienza operativa in impianti di cogenerazione sono quattro: motori alternativi a ciclo Otto o Diesel turbine a gas turbine a vapore impianti a ciclo combinato

18 COGENERAZIONE: configurazioni impiantistiche Turbina a vapore a contropressione Turbina a vapore a condensazione e spillamento

19 Cicli a vapore: campi operativi Le applicazioni cogenerative più usuali sono: turbine a contropressione turbine a derivazione e condensazione Nelle macchine a contropressione pura l intera portata di vapore, richiesta dall utenza termica, attraversa tutta la macchina: esiste pertanto un legame univoco e rigidp tra potenza elettrica generata e potenza termica Nelle turbine a derivazione e condensazione invece è possibile un vasto campo di regolazione, ottimizzando in ogni istante la resa energetica e/od economica P: condizioni nominali A: minima EE D: massima EE

20 Cicli a vapore: applicazioni cogenerative I prelievi di vapore dalla turbina possono avvenire secondo due modalità principali: in modo controllato : è utilizzata quando si devono garantire condizioni vincolanti della pressione del vapore all utenza e si hanno richieste variabili di portate. In questo caso si interpone una valvola di regolazione tra gli stadi a monte e quelli a valle dell estrazione. La macchina risulta più complessa e quindi più costosa in modo incontrollato : lo spillamento del vapore avviene in una posizione determinata a cavallo tra due stadi. Viene regolata la portata di vapore estratta con una valvola sulla tubazione di prelievo, ma le condizioni del vapore spillato (la pressione in particolare) dipendono dalla storia dell espansione e non possono essere variate dall utenza. I prelievi possono essere più d uno: alimentazione di più reti vapore a diversa pressione, del degassatore e di eventuali rigeneratori

21 COGENERAZIONE: configurazioni impiantistiche Turbina a gas con post-combustore Turbina a gas con post-combustore ed iniezione di vapore

22 Turbina a gas: applicazioni cogenerative La turbina a gas è un motore molto adatto per la cogenerazione: dai gas combusti scaricati dalla turbina si può agevolmente recuperare calore: utilizzo diretto in un processo industriale: ad esempio forni industriali ad alta temperatura, processi di essiccamento, etc. generazione diatermico di un fluido termovettore: vapore, acqua, olio Lo schema di impianto base a cui si conformano la maggioranza delle applicazioni è quello in cui i fumi di combustione scaricati dalla turbina entrano in una caldaia a recupero per la generazione di un fluido termovettore Per la produzione di acqua calda ed olio diatermico la caldaia è molto semplice (un unico fascio tubiero) Per la produzione di vapore la configurazione della caldaia dipende dai livelli di pressioni necessari

23 Turbina a gas: applicazioni cogenerative Il recupero di calore non altera la potenza elettrica erogata dalla turbina a gas, a meno delle perdite di carico dei gas combusti nella caldaia che comportano una contropressione allo scarico della turbina e quindi una lieve riduzione della potenza netta. L indipendenza della produzione di elettricità dalla produzione di calore è una delle caratteristiche fondamentali della turbina a gas in versione cogenerativa La quantità di vapore prodotta decresce all aumentare della pressione con una temperatura finale fumi più elevata e quindi una maggior perdita di calore all ambiente Una variante del ciclo di turbina a gas particolarmente interessante per applicazioni cogenerative è il ciclo con iniezione di vapore (STIG) in cui il vapore prodotto nella caldaia a recupero può essere inviato all utenza termica o all iniezione nella camera di combustione, privilegiando o la produzione termica o quella elettrica. È una soluzione caratterizzata da una grande flessibilità di funzionamento.

24 Turbina a gas: campi operativi Turbina a gas con post-combustore Turbina a gas con post-combustore ed iniezione di vapore

25 COGENERAZIONE: configurazioni impiantistiche Ciclo combinato con turbina a vapore a contropressione Ciclo combinato con turbina a vapore a condensazione e spillamento cogenerativo

26 Cicli combinati: applicazioni cogenerative L evoluzione dei cicli combinati si sovrappone e coincide all incirca con quella delle turbine a gas, che costituiscono il loro cuore Il ciclo combinato viene esercito come impianto cogenerativo quando è presente un prelievo regolato di vapore da: uno o più corpi cilindrici dalla turbina a vapore La taglia tipica degli impianti di cogenerazione è minore di quelli per la sola produzione di energia elettrica: a partire da 20 MW el, ma con punte anche superiori ai 100 MW el Per il ciclo a vapore è generalmente adottato uno schema a condensazione e spillamento Non sono precluse comunque soluzioni con turbina a vapore a contropressione La possibilità di operare a condensazione (parziale o totale) permette all impianto di produrre energia elettrica in modo economico nei periodi grazie agli elevati rendimenti tipici degli impianti combinati di scarsa richiesta termica,

27 Cicli combinati: campi operativi Linea min-des produzione di energia utile a piena estrazione di vapore al variare del carico della turbina a gas (l elettricità prodotta tiene conto del contributo della turbina a vapore che dipende dalla produzione di vapore del GVR) Linea des-max turbina a gas a piena potenza, con estrazione variabile (nel punto max l estrazione è nulla) Zona PC oltreadunaumentodelcaloreutilec èun aumento dell energia elettrica prodotta grazie alla maggiore quantità di vapore prodotta dal GVR

28 Cicli combinati: applicazioni cogenerative La pressione a cui è richiesto il vapore influisce sulla produzione elettrica, condizionando il salto entalpico disponibile per la TV. L effetto negativo in termini di prestazioni (che diminuiscono all aumentare della pressione richiesta) è meno evidente rispetto ad un impianto a vapore perchè la quota preponderate di energia elettrica è generata dalla TG Il ciclo combinato è particolarmente vantaggioso quando è necessario calore a bassa temperatura I cicli combinati in cogenerazione possono funzionare in piena produzione elettrica con rendimenti molto elevati e possono quindi consentire operazioni energeticamente convenienti anche in presenza di basse richieste termiche rispetto a quelle elettriche o quando siano presenti forti variazioni della potenza termica erogata annualmente Il mercato della cogenerazione si sta spostando progressivamente verso i cicli combinarti, con taglie più elevata che in passato, e con produzione elettrica consistente rispetto a quella termica Si avranno consistenti vantaggi in termini di risparmio di energia primaria e di riduzione delle emissioni, ma parallelamente si avrà un incremento della dipendenza dal gas naturale, unico combustibile economicamente proponibile per le TG

29 Altre tecnologie Le celle a combustibile Offrono grandi potenzialità dal punto di vista energetico rendimenti elevati anche per piccole taglie e ambientale emissioni inferiori a quelle di qualsiasi altra tecnologia cogenerativa. Rappresentano una tecnologia promettente soprattutto alla luce della micorcogenerazione distribuita. I motori a fluido organico E una tecnologia molto sviluppata nel campo della geotermia. Consente ottime prestazioni termodinamiche quando si deve recuperare calore disponibile a temperatura variabile (e modesta) e si hanno in gioco potenze troppo piccole per utilizzare la convenzionale tecnologia del vapore d acqua.

30 COGENERAZIONE: campi di applicazione I parametri fondamentali che individuano il campo di applicazione della cogenerazione sono: taglia dell impianto rapporto potenza elettrica/potenza termica temperatura a cui deve essere fornito il calore combustibile utilizzabile Le tecnologie precedentemente introdotte non sono tra loro intercambiabili perché caratterizzate da parametri fondamentali diversi

31 COGENERAZIONE: taglia e rapporto EE/Q u

32 COGENERAZIONE: taglia e rapporto EE/Q u I motori alternativi sono distinti in due classi: con massimo recupero di calore (gas di scarico: C; acqua e olio: C) con recupero di calore dai soli gas di scarico I confini di ciascuna regione sono indicativi delle situazioni economicamente interessanti La parte alta della regione delle turbine a vapore (rapporto elettricità/calore elevato) è coperta dagli impianti a condensazione e spillamento La parte bassa della regione delle turbine a vapore (rapporto elettricità/calore più modesto) è coperta dagli impianti a contropressione La regione dei cicli combinati comprende una vastissima varietà impiantistica: cicli a più livelli di pressione turbina a vapore a spillamento o contropressione iniezione di vapore, etc Per i motori primi a combustione interna il rapporto elettricità e calore può essere incrementato con la post-combustione Per impianti a vapore e cicli combinati il rapporto elettricità/calore dipende dalla temperatura a cui deve essere fornito il calore

33 COGENERAZIONE: taglia e rapporto Φ u /P e TIPO Turbine a gas Turbine a vapore VARIANTE Recupero semplice Range potenza MW e (Φ u /P e ) max (Φ u /P e ) max con PC STIG CC contropress CC cond/spill contropressio ne cond/spill η e Motori rec. parziale alternativi recupero totale

34 COGENERAZIONE: temperatura del calore utile Rendimenti rappresentativi di taglie medio-grandi

35 COGENERAZIONE: combustibili Il ciclo a vapore può accettare qualsiasi combustibile gassoso, liquido o solido. La preclusione verso combustibili di pessima qualità deriva da vincoli sulle emissioni o sugli investimenti necessari per depurare i fumi. Per i motori a ciclo Otto sono necessari combustibili gassosi o liquidi di qualità medio-alta Per i motori Diesel si possono accettare anche oli pesanti, ma al peggiorare della qualità dei combustibili aumentano le spese di manutenzione Per le turbine a gas ei cicli combinati sono indispensabili combustibili di ottima qualità (in pratica gas naturale)

36 COGENERAZIONE: campi di applicazione All interno dei campi di applicazione economicamente interessanti per ogni tecnologia illustrata, sono fondamentali altri due parametri: rendimento costo di investimento

37 COGENERAZIONE: rendimenti e costi Per uno stesso motore primo, il rendimento elettrico è funzione della taglia dell impianto Per i cicli a vapore e combinati esiste una forte dipendenza tra configurazione di impianto e rendimento elettrico La taglia dell impianto influenza in modo determinante anche i costi specifici (i valori riportati sono in lire, rappresentano forniture chiavi in mano e possono variare anche molto in funzione delle caratteristiche specifiche del sito e dell applicazione) Le turbine a vapore possono avere costi molto variabili (in funzione di configurazione impiantistica, combustibile, limiti di emissioni, utilizzo di caldaie pre-esistenti, tipo di fluido di raffreddamento per configurazioni a condensazione, etc.) Motori, turbine a gas e impianti combinati sono invece più standardizzati

38 COGENERAZIONE: rendimenti e costi

39 COGENERAZIONE: storia delle tecnologie La tecnologia che storicamente ha costituito l asse portante della cogenerazione in Italia é stata la turbina a vapore, che si impose: maturità, soluzione affidabilità, economicità e policombustibilità iniziali difficoltà di cessione dell energia elettrica in surplus della Dall inizio degli anni 90, la situazione è radicalmente cambiata a seguito di due fondamentali novità: maturità e affidabilità delle TG e dei cicli combinati, parallelamente a rendimenti elettrici nettamente superiori e costi inferiori liberalizzazione della produzione elettrica, con emanazione di normative che fissavano le condizioni di cessione alla rete

40 COGENERAZIONE: storia delle tecnologie Attualmente il dimensionamento del sistema di cogenerazione è concepibile in modo più svincolato dalle caratteristiche delle utenze con massicci quantitativi di energia elettrica esportata verso la rete di trasmissione nazionale Per una stessa utenza termica sono pertanto possibili scelte di tecnologia e di taglia che dipendono dal grado di apertura tra sistema cogenerativo e rete IV CC TG

41 ITALIA: situazione energetica Il nostro kwh è caratterizzato da prezzi sensibilmente più alti rispetto alla media europea per i seguenti motivi: ruolo limitato del carbone assenza di impianti nucleari utilizzo di petrolio e gas naturale in impianti ad efficienza modesta Questa situazione giustifica il crescente interesse verso iniziative volte a promuovere: l uso di energie tecnologie di risparmio i rinnovabili energetico COGENERAZIONE

42 COGENERAZIONE: prestazioni impianti cogenerativi italiani anno 2003 energia elettrica netta rendimento elettrico netto energia termica netta rendimento termico netto rendimento totale potenza nominale netta numero impianti GWh % GWh % % MW cicli combinati motori a combustione interna impianti a vapore a condens. e spill. impianti a vapore a contropressione turbine a gas TOTALE

43 COGENERAZIONE: prestazioni impianti cogenerativi italiani anno 2010 energia elettrica netta rendimento elettrico netto energia termica netta rendimento termico netto rendimento totale potenza nominale netta numero impianti GWh % GWh % % MW cicli combinati 92015,5 44,5% 28677,3 13,9% 58,4% motori a combustione interna 5418,0 34,1% 4798,5 30,2% 64,2% impianti a vapore a condens. e spill. 4866,4 16,0% 9726,2 31,9% 47,9% impianti a vapore a contropressione 2197,8 16,6% 6% 7446,77 56,4% 73,1% turbine a gas 3758,0 29,3% 5602,2 43,7% 73,0% TOTALE ,7 38,8% 56250,8 20,2% 58,9%

44 LA COGENERAZIONE IN ITALIA Gli impianti di cogenerazione hanno coperto nel 2010 il 50% di tutta la generazione da combustibili fossili Gli impiantii combinati generano l 85% dell energia elettrica prodotta dagli impianti di cogenerazione ed il 51% del calore: si configurano pertanto come la soluzione impiantistica più di maggiore rilievo.

45 LA COGENERAZIONE IN ITALIA La potenza media degli impianti cogenerativi italiani è intorno ai 20 MW el : MCI nella fascia 1-2 MW el TG e IV a contropressione nella fascia 5-10 MW el IV a condensazione e spillamento intorno a 20 MW el impianti a ciclo combinato intorno a 120MW el La maggior parte degli impianti cogenerativi si trova in ambienti industriali: raffinerie aziende chimiche cartiere industrie tessili In misura minore gli impianti di cogenerazione sono asserviti a reti cittadine di teleriscaldamento (quartieri o interi agglomerati urbani) soprattutto nel Nord Italia in cui ci sono condizioni climatiche più favorevoli per tali applicazioni Reti di teleriscaldamento per produrre freddo con macchine ad assorbimento costituisco un applicazione limitata ad un numero ridotto di casi

46 LA COGENERAZIONE IN ITALIA I decreti legislativi di liberalizzazione del settore elettrico e del gas prevedono dei benefici per gli impianti di produzione combinata di energia elettrica e calore che soddisfino le condizioni definite dall Autorità per l Energia Elettrica e il Gas al fine di garantire un significativo risparmio di energia rispetto alle produzioni separate delle stesse quantità di energia elettrica e di calore I principali benefici previsti sono: la priorità di dispacciamento dell energia elettrica prodotta; l esenzione dall obbligo di immettere una quota di energia elettrica prodotta da fonti rinnovabili (obbligo cui sono soggetti i produttori e gli importatori di energia elettrica da fonti non rinnovabili con produzioni o importazioni annue eccedenti i 100 GWh); il riconoscimento della qualifica di cliente idoneo alle imprese che acquistano il gas per la cogenerazione (indipendentemente dal livello di consumo annuale)

47 LA COGENERAZIONE IN ITALIA L Autorità ha formulato una definizione di cogenerazione: in base a tale definizione gli impianti considerati cogenerativi ai sensi dell articolo 2, comma 8, del decreto legislativo n. 79/99 costituiscono un sottoinsieme degli impianti di produzione combinata di energia elettrica e calore attualmente in esercizio o di nuova realizzazione. La definizione di impianti cogenerativi dell Autorità fa riferimento a indicatori che consentano: di valutare il risparmio effettivo di energia primaria di un impianto di produzione combinata di energia elettrica e di calore rispetto alle produzioni separate; di garantire l effettiva utilizzo natura cogenerativa delle modalità dell impianto (evitando che, pur in presenza di una produzione combinata di energia elettrica e calore utile, si abbiano soluzioni eccessivamente sbilanciate sulla produzione di energia elettrica. di

48 LA COGENERAZIONE IN ITALIA Gli indicatori definiti dall Autorità devono inoltre: risultare applicabili alle diverse configurazioni impiantistiche presenti in questo segmento della generazione, caratterizzate da differenze significative delle prestazioni tra impianti di piccola, media e grande taglia, tra impianti con utilizzazioni stagionali e impianti inseriti in processi continui o quasi; essere riferiti adati di consuntivo misurabili, su base annuale, con sistemi di contabilizzazione certificati e assoggettabili a controlli, nella consapevolezza delle difficoltà che si incontrano nella misura del calore e nell accertamento del suo effettivo impiego utile ; tener conto dell innovazione in atto nelle tecnologie produzione combinata di energia elettrica e di calore, prevedendo meccanismi di aggiornamento periodici delle prestazioni degli impianti non ancora entrati in esercizio. di

49 LA COGENERAZIONE IN ITALIA: deliberazione n. 42/02 In tale delibera l Autorità ha definito le condizioni alle quali la produzione combinata di energia elettrica e calore è riconosciuta come cogenerazione impianto di produzione combinata di energia elettrica e calore è un sistema integrato che converte l energia primaria di una qualsivoglia fonte di energia nella produzione congiunta di energia elettrica e di energia termica (calore), entrambe considerate effetti utili, conseguendo, in generale, un risparmio di energia primaria ed un beneficio ambientale rispetto alla produzione separata delle stesse quantità di energia elettrica e termica. In luogo della produzione di energia elettrica in forma congiunta alla produzione di energia termica, è ammessa anche la produzione di energia meccanica.

50 LA COGENERAZIONE IN ITALIA: deliberazione n. 42/02 In tale delibera l Autorità ha definito le condizioni alle quali la produzione combinata di energia elettrica e calore è riconosciuta come cogenerazione La produzione di energia meccanica o elettrica e di calore deve avvenire in modo sostanzialmente interconnesso, implicando un legame tecnico e di mutua dipendenza tra produzione elettrica e utilizzo in forma utile del calore, anche attraverso sistemi di accumulo. Il calore generato viene trasferito all'utilizzazione, in forme diverse, tra cui vapore, acqua calda, aria calda, e può essere destinata a usi civili di riscaldamento, raffrescamento o raffreddamento o a usi industriali in diversi processi produttivi.

51 LA COGENERAZIONE IN ITALIA: deliberazione n. 42/02 In tale delibera l Autorità ha definito le condizioni alle quali la produzione combinata di energia elettrica e calore è riconosciuta come cogenerazione Si definisce cogenerazione un processo integrato di produzione combinata di energia elettrica o meccanica, e di energia termica, entrambe considerate energie utili che, a partire da una qualsivoglia combinazione di fonti primarie di energia e con riferimento a ciascun anno solare, soddisfa entrambe le condizioni concernenti il risparmio di energia primaria e il limite termico: IRE IRE min LT LT min

52 LA COGENERAZIONE IN ITALIA: deliberazione n. 42/02 IRE IRE Ec = Ee Etciv Etind + + η p η η 1 IREmin es ts, civ ts, ind Ec indica l energia primaria dei combustibili: è il contenuto energetico dei combustibili utilizzati, pari al prodotto del peso o del volume di ciascun tipo di combustibile utilizzato nel corso dell'anno solare per il rispettivo potere calorifico inferiore Ee indica la produzione di energia elettrica: è la quantità di energia elettrica lorda prodotta dalla sezione nell'anno solare, diminuita dell'energia elettrica destinata ai servizi ausiliari della sezione e delle perdite nei trasformatori principali. Nel caso di produzione combinata di energia meccanica e calore, l energia lenergia meccanica viene moltiplicata per un fattore pari a 1,05 per convertirla in una quantità equivalente di energia elettrica netta

53 LA COGENERAZIONE IN ITALIA: deliberazione n. 42/02 - IRE IRE = Ec + + η p η η 1 IREmin Ee Etciv Etind es ts, civ ts, ind Et indica la produzione di energia termica utile: è la quantità di energia termica utile prodotta dalla sezione nell'anno solare effettivamente ed utilmente utilizzata a scopi civili o industriali, pari alla differenza tra il contenuto entalpico del fluido vettore in uscita ed in ingresso misurato alla sezione di separazione tra la sezione di produzione e la rete di distribuzione del calore, al netto dell energia termica eventualmente t dissipatai in situazioni i i transitorie i odi emergenza (scarichi di calore). Et è somma delle due componenti Etciv e Etind definite come segue: energia termica utile per usi civili Etciv è la parte di produzione di energia termica utile destinata t alle utilizzazioni i i di tipo civile il a finii di climatizzazione, i riscaldamento, raffrescamento, raffreddamento, condizionamento di ambienti residenziali, commerciali e industriali e per uso igienico-sanitario, con esclusione delle utilizzazioni in processi industriali; energia termica utile per usi industriali Etind è la parte di produzione di energia termica utile destinata ad utilizzazioni diverse da quelle previste per Etciv

54 LA COGENERAZIONE IN ITALIA: deliberazione n. 42/02 - IRE IRE = Ec + + η p η η 1 IREmin Ee Etciv Etind es ts, civ ts, ind ηes è il rendimento elettrico netto medio annuo di un impianto destinato alla sola produzione di energia elettrica inteso come il rapporto tra la produzione annua netta di energia elettrica e l'energia primaria del combustibile immessa annualmente nell'impianto, entrambe riferite all anno solare ηts è il rendimento termico netto medio annuo di un impianto destinato alla sola produzione di energia termica inteso come il rapporto tra la produzione annua netta di energia termica e l'energia primaria del combustibile immessa annualmente nell'impianto, entrambe riferite all anno solare. p è un coefficiente che rappresenta le minori perdite di trasporto e di trasformazione dell energia energia elettrica che le sezioni cogenerative comportano quando autoconsumano l energia elettrica autoprodotta, evitando le perdite associate al trasporto di energia elettrica fino al livello di tensione cui le sezioni stesse sono allacciate o quando immettono energia elettrica nelle reti di bassa o media tensione, evitando le perdite sulle reti, rispettivamente, di media e alta tensione

55 LA COGENERAZIONE IN ITALIA: deliberazione n. 42/02 valore del parametro η es η es n η = j= 1 es, j P T j Il valore del rendimento elettrico di riferimento è differenziato per classi di potenza e per tipo di combustibile utilizzato ed è rappresentativo della miglior tecnologia disponibile in esercizio commerciale per la sola produzione di energia elettrica. Al fine di una comparazione omogenea delle prestazioni delle diverse tipologie impiantistiche, viene introdotta la definizione di taglia di riferimento che non sempre coincide con la potenza nominale di sezione (una sezione può risultare composta da più motori primi integrati ad un solo sistema di recupero termico, come ad esempio, il caso dei cicli combinati con più turbine a gas e una turbina a vapore)

56 LA COGENERAZIONE IN ITALIA: deliberazione n. 42/02 valore del parametro η es η es = n η es, Cj j= 1 n j= 1 Ec Ec C j C j Nel caso di sezioni di produzione combinata di energia elettrica e calore che utilizzino più combustibili di diverso tipo C1, C2,,Cn, Cn il parametro ηes viene calcolato come media ponderata dei singoli ηes rispetto all energia primaria Ec C1, Ec C2,, Ec Cn, dei combustibili annualmente immessi nella sezione

57 p = La cogenerazione Proff. Ingg. M. Gambini, M. Vellini LA COGENERAZIONE IN ITALIA: deliberazione n. 42/02 - parametro p p Ee + p Ee immessa immessa autocons autocons Ee immessa + Ee autocons energia elettrica autoconsumata t parte di energia elettrica prodotta che non viene immessa nella rete di trasmissione o di distribuzione dell energia elettrica in quanto direttamente utilizzata e autoconsumata nel luogo di produzione energia elettrica immessa in rete è la parte di energia elettrica netta prodotta che non rientra nella precedente definizione il valore del coefficiente p viene determinato in base alle quantità di energia elettrica immessa in rete o autoconsumata ed in base al livello di tensione a cui è allacciata la sezione dell impianto di produzione combinata di energia elettrica e calore

58 LA COGENERAZIONE IN ITALIA: deliberazione n. 42/02 valore del parametro η es Nel caso di utilizzo di combustibili di processo e residui biogas gas naturale da giacimenti minori isolati si Nel caso di utilizzo di combustibili di processo e residui, biogas, gas naturale da giacimenti minori isolati si propone per il parametro ηes un valore pari a 0,35 per tutte le fasce di potenza nominale della sezione Nel caso di utilizzo di combustibili diversi da quelli sopra richiamati, ai fini della determinazione del parametro ηes si assume il gas naturale come combustibile di riferimento.

59 LA COGENERAZIONE IN ITALIA: deliberazione n. 42/02 valore del parametro η ts Il parametro η ts,civ è pari a 0.8, valore rappresentativo del rendimento termico medio annuo delle caldaie di piccole dimensioni per usi civili parametro η ts,ind è pari a 0.9, valore rappresentativo del rendimento termico medio annuo per le caldaie di tipo industriale e di dimensioni medio-grandi

60 LA COGENERAZIONE IN ITALIA: deliberazione n. 42/02 valore di IRE min Il valore di IRE min deve essere pari a 10.0% - per le sezioni di nuova realizzazione 5.0% - per le sezioni esistenti 80% 8.0% - per i rifacimenti i di sezioni i

61 LA COGENERAZIONE IN ITALIA: deliberazione n. 42/02 LT LT = Et Ee + Et LT min Al fine di evitare soluzioni definite cogenerative prive di una effettiva produzione combinata di energia elettrica e calore o troppo sbilanciate sulla produzione di energia elettrica, come già sperimentato in passato con l Indice energetico (Ien) di cui al provvedimento CIP n. 6/92, l Autorità ha proposto di introdurre, oltre all indice IRE che misura il risparmio di energia primaria di un impianto di cogenerazione rispetto alle produzioni separate, anche un indice che verifichi la condizione di effettiva produzione combinata di energia elettrica e calore. A tal fine si propone di individuare un limite inferiore LT min al parametro LT, definito come rapporto tra l energia termica utile Et e l effetto utile complessivamente generato pari alla somma dell energia elettrica e dell energia termica utili (Ee+Et)

62 LA COGENERAZIONE IN ITALIA: deliberazione n. 42/02 - LT LT = Et Ee + Et LT min il parametro LT, come l indice IRE, viene calcolato con riferimento alla sezione il parametro LT deve essere calcolato su base annuale in quanto la priorità di dispacciamento è una condizione che può essere riconosciuta all energia elettrica prodotta da una sezione definita cogenerativa solo su base annuale vanno salvaguardati alcuni principi che tengono conto dei problemi tecnologici e del fatto che il parametro LT deve essere calcolato su base annuale: l utilizzo dell energia termica presenta maggiori vincoli, in termini di trasporto, di distribuzione, di costi associati e di reperibilità della domanda, rispetto all energia elettrica, e tali vincoli aumentano con la dimensione degli impianti; su base annuale, la richiesta termica subisce inevitabilmente variazioni significative (discontinuità giornaliera e stagionale dei cicli produttivi e della domanda di riscaldamento urbano); una moderna sezione di impianto di cogenerazione a ciclo combinato deve di norma prevedere un condensatore a freddo, per contenere le dissipazioni di energia al variare della richiesta termica e per utilizzare il vapore di bassa pressione generato da una caldaia a recupero a due livelli di pressione quando la pressione dei prelievi è superiore.

63 LA COGENERAZIONE IN ITALIA: deliberazione n. 42/02 valore di LT min Il limite termico LT non deve essere inferiore al valore minimo LT min che viene fissato pari al 15.0% Nel caso di sezioni di nuova realizzazione che soddisfino la condizione di IRE min ma non soddisfano la condizione per il limite termico LT è ammessa, ai soli fini dell esenzione dall'obbligo di acquisto dei certificati verdi, l esenzione dal predetto obbligo per la quota di energia elettrica che soddisfa il limite termico di 15.0%

64 La Cogenerazione ad Alto Rendimento (CAR) (istituita dalla Direttiva Europea 2004/8/CE e s.m.i.) E: energia elettrica/meccanica prodotta H calore utile F energia primaria immessa (da combustibile e/o da altre fonti)

65 La Cogenerazione ad Alto Rendimento (CAR) (istituita dalla Direttiva Europea 2004/8/CE e s.m.i.) rendimento globale: η g = η = I E + H F rendimento elettrico equivalente: i l t valuta la qualità dell impianto i di cogenerazione dal punto di vista del ciclo di conversione termo -meccanica/termoelettrica realizzato nell impianto di cogenerazione. Tale rendimento si ottiene rapportando all energia primaria la somma dell energia energia elettrica/meccanica effettivamente prodotta e di quella non prodotta a causa della concomitante produzione di calore utile H: η E EQ E + EH E + β H = = F F dove il coefficiente β rappresenta appunto la mancata produzione elettrica per unità di energia termica utile prodotta

66 La Cogenerazione ad Alto Rendimento (CAR) (istituita dalla Direttiva Europea 2004/8/CE e s.m.i.) In relazione all interazione tra produzione elettrica e termica, gli impianti di cogenerazione possono essere suddivisi in due tipologie impiantistiche: impianti nei quali la produzione termica non comporta perdite di produzione elettrica: impianti i di tipologia i A; impianti nei quali la produzione termica comporta perdite di produzione elettrica: impianti di tipologia B.

67 Impianti di tipologia A Appartengono a questa categoria tutti quegli impianti di cogenerazione nei quali la produzione termica avviene per recupero di calore allo scarico dell impianto senza che questo recupero di calore alteri il ciclo di conversione che a partire dal combustibile in ingresso genera energia elettrica. Esempi tipici di questa categoria di impianti sono le turbine a gas (TG) ed i motori a combustione interna (MCI) dotati di recupero del calore di scarico (recuperatore R e/o generatori di vapore a recupero GVR) non considerando la presenza di sistemi di post- combustione non cogenerativi.

68 Impianti di tipologia A In tali impianti è evidente che il recupero di calore non incide minimamente sulla produzione di elettricità. Infatti, mantenendo costante il combustibile di alimentazione, la produzione elettrica si mantiene costante t e, considerando d la presenza di un by-pass sui fumi di scarico, la produzione termica può variare da un valore minimo (in particolare nullo, in corrispondenza del by-pass tutto aperto che esclude la produzione termica da parte del recuperatore disposto allo scarico del motore) fino ad un valore massimo (by-pass completamente chiuso e quindi tutti i gas di scarico convogliati nel recuperatore che produce la massima energia termica). Anche in assenza di by-pass la produzione di energia termica non introduce perdite di produzione elettrica. Ad una maggiore richiesta termica l impianto si adegua aumentando la produzione elettrica e, di conseguenza, il combustibile di alimentazione i e, al contrario, al ridursi della richiesta termica si riduce il carico elettrico e l alimentazione da combustibile. In ogni caso, il maggiore/minore consumo di combustibile è legato alla maggiore/minore produzione elettrica e pertanto la variazione di combustibile è correlata esclusivamente alla variazione di produzione elettrica.

69 Impianti di tipologia i A Appartengono a questa categoria di impianti anche le turbine a vapore (TV) in contropressione e, di conseguenza, gli impianti combinati TG+TV TV in contropressione E F E TG F GVC TV TG G GVR E TV H TV G H Nella TV in contropressione, considerando l assenza di dispositivi di dissipazione del calore contenuto nel vapore allo scarico, ad una maggiore richiesta termica l impianto si adegua aumentando la quantità di vapore in turbina e, di conseguenza, la produzione elettrica ed il combustibile di alimentazione. Al contrario, al ridursi della richiesta termica si riduce il vapore in turbina e quindi il carico elettrico e l alimentazione da combustibile. In ogni caso, il maggiore/minore consumo di combustibile è legato alla maggiore/minore produzione elettrica e pertanto la variazione di combustibile è correlata esclusivamente alla variazione di produzione elettrica.

70 Impianti di tipologia A È evidente che, per la tipologia di impianti A, il combustibile di alimentazione è associato esclusivamente alla produzione di energia elettrica e la produzione termica avviene per puro recupero di calore allo scarico dell impianto i senza alterare la produzione elettrica. Per impianti di tipo A risulta evidentemente: Impianti Tipo A: β = 0 e quindi il rendimento elettrico dell impianto può essere considerato indicativo della qualità del ciclo di conversione in quanto coincidente con il rendimento elettrico equivalente: η E EQ E + β H E = = = ηe F F

71 Impianti di tipologia B Appartengono a questa categoria tutti quegli impianti di cogenerazione nei quali la produzione termica avviene tramite un prelievo di calore dal ciclo di conversione durante la fase di scambio di lavoro e quindi con conseguenti perdite di produzione elettrica. Esempi tipici di questa categoria di impianti sono le turbine a vapore (TV), sia a condensazione che a contropressione, dotate di estrazione di vapore cogenerativo e, di conseguenza, i cicli combinati TG+TV con estrazione di vapore.

72 Impianti di tipologia B In tali impianti è evidente che il recupero di calore incide direttamente sulla produzione di elettricità. Infatti, mantenendo costante il combustibile di alimentazione, all aumentare aumentare della produzione termica, realizzata tramite una maggiore estrazione di vapore, la produzione elettrica diminuisce progressivamente a causa della minore quantità di vapore che prosegue l espansione nel corpo di turbina a valle dell estrazione estrazione. Viceversa, al ridursi della produzione termica, realizzata tramite una progressiva riduzione del vapore estratto, aumenta la produzione elettrica a causa della maggiore quantità di vapore che prosegue l espansione nel corpo di turbina a valle dell estrazione estrazione.

73 Impianti di tipologia i B Per evidenziare maggiormente la correlazione di una quota parte di combustibile consumato con la produzione termica, si consideri una turbina ad estrazione e condensazione inizialmente in assetto tutto elettrico, cioè senza produzione di energia termica (portata di vapore estratto nulla), con una portata di vapore in testa alla turbina inferiore alla portata nominale.

74 Impianti di tipologia i B Estraendo una quantità di vapore Y per soddisfare una determinata richiesta di energia termica, a parità di energia elettrica generata rispetto all assetto assetto precedente, la quantità di vapore da immettere in turbina aumenta di una quantità X. Tale quantità X comporta necessariamente un incremento di combustibile di alimentazione per essere prodotta. Ne deriva immediatamente che tale incremento di combustibile è connesso alla produzione di energia termica essendo rimasta inalterata tra i due assetti la produzione elettrica.

75 Impianti di tipologia B È evidente che, per la tipologia di impianti B, il combustibile di alimentazione non è associato esclusivamente alla produzione di energia elettrica ma imputabile in parte alla produzione elettrica e per la rimanente parte alla produzione termica. Per impianti di tipo B risulta evidentemente: Impianti Tipo B: β > 0 e quindi il rendimento elettrico dell impianto non può essere considerato indicativo della qualità del ciclo di conversione in quanto penalizzato dalla produzione termica. In questo caso deve essere quindi utilizzato allo scopo il rendimento elettrico equivalente: η E EQ E + β H E = > = ηe F F

76 La Cogenerazione ad Alto Rendimento (CAR) (istituita dalla Direttiva Europea 2004/8/CE e s.m.i.) L importanza del rendimento elettrico equivalente è riconosciuta dalla vigente legislazione (DLgs 20/07, DM 4/8/11 e DM 5/9/11) ai fini del riconoscimento della Cogenerazione ad Alto Rendimento (CAR) per la quale è previsto un regime di sostegno attraverso il riconoscimento di benefici ed incentivi Qualora l unità di cogenerazione non raggiunga nel suo complesso un rendimento globale di soglia (75% per impianti di tipo A, ad eccezione per i cicli combinati con turbine a vapore in contropressione per i quali assume il valore dell 80%, ed 80% per impianti di tipo B) tale unità viene divisai in due unità virtuali: l unità cogenerativa CHP e l unità non cogenerativa NON CHP. L unità CHP è individuata in maniera tale che le energie ai sui confini diano luogo ad un rendimento globale esattamente pari al rendimento di soglia.

77 La Cogenerazione ad Alto Rendimento (CAR) Per individuare le energie dell unità CHP si utilizza proprio il rendimento elettrico equivalente (individuato, nelle guide esplicative della vigente legislazione con il termine η NON CHP,E ) valutando il rapporto energia/calore effettivo: C eff ηe = η EQ β η soglia η soglia E EQ dal quale si ricava l energia elettrica/meccanica prodotta dalla unità CHP: ECHP = Ceff HCHP avendo ipotizzato H CHP =H e cioè che tutta la produzione di calore utile avvenga per via cogenerativa (assenza di produzione di calore utile da fonti non cogenerative, quali, ad esempio, caldaie di integrazione, post-combustioni finalizzate all incremento della sola produzione termica, etc.)

78 La Cogenerazione ad Alto Rendimento (CAR) Si ricava quindi l energia elettrica prodotta dalla unità NON CHP: E = E E NONCHP CHP e la quota parte di energia primaria ad essa associata: F NONCHP = E NONCHP η E EQ Da questa si ricava infine la quotaparte di energia primaria attribuibile alla unità CHP: F = F F CHP NONCHP

79 La Cogenerazione ad Alto Rendimento (CAR) Completate le valutazioni delle energie alla frontiera dell unità CHP, con queste energie si calcola il risparmio di energia primaria tramite: dove: CHPHη = H F CHP CHP E CHPEη = F 1 PES = CHPHη CHPEη + RefHη RefEη CHP CHP RefHη RefEη rendimento di riferimento per la produzione separata di calore rendimento di riferimento per la produzione separata di energia elettrica Le modalità di quantificazione dei valori di rendimento di riferimento per la produzione separata di H CHP ee CHP sono prescritte negli Allegati IV, V, VI e VII del DM 4 agosto Se, invece, l unità di cogenerazione nel suo complesso è caratterizzata da un rendimento globale superiore al rendimento di soglia, non si procede alla suddetta suddivisione in unità virtuali ed il PES viene semplicemente calcolato con le energie ai confini dell unità complessiva e con i rendimenti di riferimento sopra definiti.

80 La Cogenerazione ad Alto Rendimento (CAR) La condizione i da soddisfare per riconoscere che una data unità funzioni in CAR consiste nel raggiungimento di un risparmio di energia primaria (PES) superiore ad un valore minimo prestabilito, differenziato in funzione della classe di potenza dell unità cogenerativa. Tale condizione risulta: PES 0,1 (10 10%) per unità di cogenerazione con capacità di generazione almeno pari a 1 MWe; PES > 0 per le unità di piccola e micro-cogenerazione.

81 I benefici previsti dalla normativa vigente per la CAR Con il DM 5 settembre 2011 viene introdotto, tt attraverso il riconoscimento i dei CB (Certificati Bianchi), il regime di sostegno per la Cogenerazione ad Alto Rendimento. Gli ulteriori benefici previsti dalla normativa vigente per la CAR sono: l esonero dall obbligo di acquisto dei Certificati Verdi previsto per i produttori egli importatori i di energia elettrica con produzioni i e importazioni i i annue da fonti non rinnovabili eccedenti i 100 GWh (art. 11, commi 1, 2e3del Decreto Legislativo 16 marzo 1999, n.79); la precedenza, nell ambito del dispacciamento, dell energia elettrica prodotta da unità prevalentemente CAR rispetto a quella prodotta da fonti convenzionali (art. 11, comma 4 del Decreto Legislativo 16 marzo 1999, n.79 79); le agevolazioni fiscali sull accisa del gas metano utilizzato per la cogenerazione (Decreto Legislativo 26 ottobre 1995, n. 504 aggiornato dal Decreto Legislativo 2 febbraio 2007, n. 26);

82 I benefici previsti dalla normativa vigente per la CAR possibilità di accedere al regime di Ritiro Dedicato dell energia elettrica, secondo le modalità semplificate stabilite dalla delibera AEEG 280/07 07; 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 (deliberazione 3 giugno 2008 ARG/elt 74/08 Testo integrato delle modalità e delle condizioni tecnico-economiche economiche per lo scambio sul posto (TISP) e s.m.i.); la possibilità di applicare condizioni tecnico-economiche economiche semplificate per la connessione alla rete elettrica, come definite dall Autorità con la deliberazione del 23 luglio ARG/elt 99/08 Testo integrato delle condizioni tecniche ed economiche per la connessione alle reti elettriche con obbligo di connessione di terzi degli impianti di produzione di energia elettrica (Testo integrato delle connessioni attive TICA) e s.m.i.... rilascio di Garanzia di origine per l energia elettrica prodotta dagli impianti funzionanti in Cogenerazione e o e ad Alto Rendimento e (GOc). Tale ae certificazione, ca e, rilasciata dal GSE potrebbe essere potenzialmente utilizzata dai produttori per dimostrare ai propri clienti l origine dell energia elettrica venduta;

83 I benefici previsti dalla normativa vigente per la CAR procedure amministrative i ti semplificate per l autorizzazione i alla costruzione e gestione degli impianti, con particolare riferimento alle unità di piccola e micro- cogenerazione; semplificazioni per la connessione alla rete degli impianti. In particolare, ai fini della connessione, gli impianti di cogenerazione godono di tuttiivantaggi assicurati agli impianti che producono energia da fonti rinnovabili; semplificazione degli adempimenti relativi all installazione dei dispositivi ealle misure di carattere fiscale e per la definizione di procedure semplificate in materia di versamento delle accise e degli altri oneri tributari e fiscali; semplificazioni nell iter autorizzativo: o per l installazione degli impianti di micro cogenerazione è prevista la sola Comunicazione al Comune; o per l installazione di impianti di cogenerazione con potenza nominale inferiore a3 MW è prevista la DIA.