Studio sullo prospettive di sviluppo degli impianti di cogenerazione

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1 CESI RICERCA Studio sullo prospettive di sviluppo degli impianti di cogenerazione MILANO 8 ottobre 2008 Franco Polidoro polidoro@cesiricerca.it 1

2 Sommario 1 Definizione di cogenerazione, benefici, riferimenti normativi 2 Classificazione degli impianti e tecnologie di cogenerazione 3 Qualifica di cogenerazione ad alto rendimento 4 Cogenerazione ad alto rendimento in Italia (2005) 5 Prospettive di sviluppo al

3 1 Definizione di cogenerazione «cogenerazione» la generazione simultanea in un unico processo di energia Termica ed Elettrica e/o di energia Meccanica (Direttiva 2004/8/CE definizioni) 3

4 1 Benefici Risparmio energetico - Risparmio di energia primaria con minore impiego di fonti convenzionali (gas, olio combustibile, carbone) Minori emissioni di gas serra a fronte del risparmio di energia primaria Benefici ambientali - Favorisce la sostituzione di modalità di fornitura di calore più inquinanti con servizi calore migliori sotto il profilo della qualità ambientale La vicinanza all utenza permette una riduzione delle perdite di rete (nel caso di impianti cogenerativi di piccola taglia) 4

5 1 Benefici Attualmente la normativa nazionale, riconosce all energia elettrica, prodotta in cogenerazione i seguenti benefici: - L esenzione dall obbligo di acquisto di certificati verdi relativi alla quota di energia e. prodotta da fonti non rinnovabili (D.Lgs 79/99) ; - Il diritto all utilizzazione prioritaria dell energia e. prodotta (D.Lgs 79/99); - Diritto di cessione, a prezzi incentivati, alla rete di distribuzione (solo per impianti di potenza inferiore a 10MVA) (Del. AEEG 34/05); - L ottenimento di titoli di efficienza energetica (Decreto MAP 20 luglio 2004); - La possibilità di operare in regime di scambio sul posto per gli impianti di potenza inferiore a 200 kw (D. Lgs. 20/2007) 5

6 1 Riferimenti normativi Delibera AEEG n. 42/02 19 marzo 2002 (aggiornata con Del. n 296/05 e successiva 307/07) - Stabilisce i criteri che deve rispettare un impianto affinché produca con caratteristiche di cogenerazione (indici IRE, LT) Direttiva 2004/8/CE del Parlamento Europeo e del Consiglio 11 Febbraio Promozione della cogenerazione basata sulla domanda di calore utile nel mercato interno dell energia Decreto legislativo 8 febbraio 2007, n.20 - Attuazione della Direttiva 2004/8/CE 6

7 2 Classificazione degli impianti di cogenerazione Gli impianti di cogenerazione possono essere classificati sulla base della POTENZA in : Micro cogenerazione: un'unità di cogenerazione con una capacità massima inferiore a 50 kwe Piccola cogenerazione: le unità di cogenerazione con una capacità installata inferiore a 1MWe Media cogenerazione: impianti con potenza compresa fra 1 e 10 MWe Grande cogenerazione: superiore ai 10MWe 7

8 2 Tecnologie di cogenerazione Da Direttiva 2004/8/CE, ALLEGATO I Turbina a gas a ciclo combinato con recupero di calore Turbina a vapore a contropressione Turbina a condensazione con spillamento di vapore Turbina a gas con recupero di calore Motore a combustione interna Microturbine Motori Stirling Pile a combustibile Motori a vapore Cicli Rankine a fluido organico Ogni altro tipo di tecnologia o combinazione di tecnologie che rientrano nella definizione di cogenerazione (articolo 3, lettera a). 8

9 3 Qualifica di cogenerazione ad alto rendimento - Il D. Lgs. N 79/99 ha dato mandato all Autorità per l Energia Elettrica e il Gas (AEEG) di definire a quali condizioni la produzione combinata di energia elettrica e calore può chiamarsi cogenerazione e godere dei relativi benefici. - L AEEG con Del. N 42/02 ha stabilito le caratteristiche che un impianto con produzione combinata di elettricità e calore deve avere per poter operare come impianto cogenerativo (indici IRE e LT) - Il D. Lgs. N 20 del 8 febbraio 2007, ha disposto che, fino al 31 dicembre 2010, le condizioni per il riconoscimento della cogenerazione ad alto rendimento coincidono con quelle definite per la cogenerazione dalla Del. N 42/02 e successive modifiche ed integrazioni. 9

10 3 Qualifica di cogenerazione ad alto rendimento La Delibera AEEG n 42/02 (aggiornata con Delibera n 296/05) definisce cogenerativo un impianto CHP quando l indice di risparmio energetico IRE (inteso come risparmio di energia primaria conseguito da una sezione di cogenerazione rispetto la produzione separata delle medesime quantità di energia elettrica e termica ), risulta : IRE 10% per le sezioni di nuova realizzazione IRE 8% per i rifacimenti di sezioni IRE 5% per le sezioni esistenti 10

11 3 Qualifica di cogenerazione ad alto rendimento Definizione dell indice di risparmio di energia IRE : IRE = 1 Ee η p es Ec Et civ Et + + η η ts,civ ind ts,ind - Ec energia primaria, Ee energia elettrica netta, ηes è il rendimento elettrico di riferimento, p è un coefficiente che rappresenta le minori perdite di trasporto; - ηts,civ è il rendimento termico di riferimento per la produzione di sola energia termica per usi civili Et civ - ηts,ind è il rendimento termico di riferimento per la produzione di sola energia termica per usi industriali Et ind. 11

12 3 Qualifica di cogenerazione ad alto rendimento Secondo la Delibera il rendimento elettrico di riferimento ηes dipende dal combustibile e dalla taglia dell impianto. Es. combustibile gas naturale, taglia impianto >300 MW ηes = 55% Per la generazione di calore il riferimento per il rendimento termico è pari a: 0,9 (ηts,ind) per applicazioni industriali 0,8 (ηts,civ) per applicazioni civili 12

13 3 Qualifica di cogenerazione ad alto rendimento La Delibera impone inoltre il raggiungimento di un valore limite LT min del Limite Termico LT (inteso come rapporto tra l energia termica utile annualmente prodotta Et e l effetto utile complessivamente generato su base annua dalla sezione di produzione combinata di energia elettrica e calore, pari alla somma dell energia elettrica netta e dell energia termica utile prodotte (Ee + Et) ) : LT = Et Ee + Et 13

14 3 Qualifica di cogenerazione ad alto rendimento I valori minimi di LT per il riconoscimento di produzione combinata di energia elettrica e calore come cogenerazione sono: P 10 MWe 10 MWe < P 25 MWe P > 25 MWe LT min > 33% LT min > 22% LT min > 15% La Delibera AEEG n 307/07, prevede che i valori di riferimento dei parametri IRE, LT min, ηts,ind, ηts,civ e ηes in vigore fino al 31 dicembre 2009, siano i medesimi previsti dalla Delibera n 296/05. 14

15 3 Qualifica di cogenerazione ad alto rendimento Riferimento normativo a livello Comunitario : Direttiva 2004/8/CE Elettricità da cogenerazione : Quando il rendimento annuale complessivo di primo principio è >75% (o >80 % per cicli combinati e turbina a vapore a condensazione), tutta l elettricità è considerata elettricità da cogenerazione; Se minore deve essere calcolata (allegato II b o art. 12). 15

16 3 Qualifica di cogenerazione ad alto rendimento Cogenerazione ad alto rendimento : La produzione mediante unità di piccola cogenerazione e di micro-cogenerazione (< 1 MWe) che forniscono un risparmio di energia primaria può essere definita cogenerazione ad alto rendimento. La produzione mediante unità di cogenerazione (>1 MWe) che forniscono un risparmio di energia primaria, pari almeno al 10 % rispetto ai valori di riferimento per la produzione separata di elettricità e di calore. 16

17 3 Qualifica di cogenerazione ad alto rendimento L indice di risparmio di energia primaria denominato PES deve quindi essere: 10% per unità 1 MW e > 0% per unità < 1 MW e ed è calcolato con la formula : PES = 1 ηth ηth CHP rif 1 ηel + ηel CHP rif

18 3 Qualifica di cogenerazione ad alto rendimento ηel CHP = Ee/Ec, ηth CHP = Et/Ec sono i rendimenti elettrici e termici della produzione mediante cogenerazione ηel rif ηth rif sono i rendimenti elettrici e termici della tecnologia di riferimento per la produzione separata di elettricità e calore. 18

19 3 Qualifica di cogenerazione ad alto rendimento Secondo la direttiva il rendimento elettrico di riferimento ηel rif dipende dal combustibile ma non dalla taglia e tipologia dell impianto. Differenziato in funzione dell anno di costruzione dell impianto. Commenti alla direttiva. I valori di riferimento dovranno essere corretti per tener conto: Perdite di rete evitate Differenze climatiche tra gli stati membri 19

20 4 Cogenerazione in Italia (2005) Parco di generazione per produzione combinata energia elettrica e calore Potenza efficiente lorda secondo tipo d'impianto MW a combustione interna (CIC) 633,4 a turbine a gas (TGC) 1024,8 a ciclo combinato (CCC) 12555,0 a vapore a contropressione (CPC) 1887,7 a vapore a condensazione con spillamento (CSC) 2195,7 Totale 18296,6 Fonte : dati statistici TERNA La potenza efficiente lorda complessiva degli impianti termoelettrici (esclusi i geotermoelettrici) è di 64645,6 MW, gli impianti con produzione combinata di energia elettrica e calore sono il 28 % di tale potenza. 20

21 4 Cogenerazione in Italia (2005) Parco di generazione per produzione combinata energia elettrica e calore Impianti produzione combinata energia elettrica Energia netta Fattore utilizzo calore 2005 GWh ore a combustione interna (CIC) 2184, a turbine a gas (TGC) 5932, a ciclo combinato (CCC) 71048, a vapore a contropressione (CPC) 4908, a vapore a condensazione con spillamento (CSC) 7363, Totale 91437, Fonte : dati statistici TERNA Quanta di questa energia (91.4 TWh) può essere classificata cogenerativa ad alto rendimento in base alla direttiva 2004/8/CE e alla Delibera AEEG 42/02 e successivi aggiornamenti? 21

22 4 Cogenerazione ad alto rendimento in Italia (2005) Ruolo del Gestore dei Servizi Elettrici (GSE) : La Del. 42/02 stabilisce che i produttori che intendano avvalersi dei benefici per l energia elettrica prodotta in cogenerazione, dichiarino al GSE ogni anno le quantità di energia elettrica e calore prodotte durante l anno precedente e la quantità di energia primaria (combustibile) consumata per produrle. Sulla base di questi dati, il GSE verifica che, per l anno considerato, gli indici IRE ed LT siano maggiori delle soglie minime 22

23 4 Cogenerazione ad alto rendimento in Italia (2005) Gli impianti riconosciuti di cogenerazione ad alto rendimento dal GSE per la produzione 2005, rappresentano una potenza totale efficiente lorda di 7700 MWe, approssimativamente il 9% del parco totale di generazione italiano (83.3 GWe) ed i 12% del solo parco termoelettrico (59.8 GWe). Si tratta in maggioranza di impianti di media e piccola taglia (80% degli impianti hanno potenza < 20 MWe, 95% con potenze < 100MWe) Potenza installata CHP per alcune di attività (Fonte GSE) 23

24 4 Cogenerazione ad alto rendimento in Italia (2005) Gli impianti di cogenerazione ad alto rendimento impiegano, nella maggior parte dei casi, come tecnologia I cicli combinanti (circa 5500 MWe) e le turbine a vapore (1045 MWe). Trovano impiego minore gli impianti a turbogas (circa 659 MWe) ed i motori a combustione Interna (390 MWe). Potenza installata CHP per tecnologia (Fonte GSE) 24

25 4 Cogenerazione ad alto rendimento in Italia (2005) Gli impianti di cogenerazione italiani ad alto rendimento hanno prodotto, nel corso del 2005, circa 39 TWh elettrici e 39 TWh termici. L energia elettrica prodotta in cogenerazione è stata pari al 13% dell intera produzione elettrica nazionale (290 TWh) ed al 16% della produzione di origine termoelettrica (246 TWh). 25

26 4 Cogenerazione ad alto rendimento in Italia (2005) Il combustibile di più comune impiego è il gas naturale, seguito dai combustibili di processo (si tratta di gas ad alto contenuto energetico, residui di lavorazione in stabilimenti industriali, che vengono utilizzati negli impianto di cogenerazione realizzati in prossimità dell insediamento industriale) e dall olio combustibile. Principali combustibili impiegati (Fonte GSE) 26

27 4 Cogenerazione ad alto rendimento in Italia (2005) Gli impianti sono localizzati in prevalenza nelle zone altamente Industrializzate (Lombardia e Piemonte coprono più del 40% della potenza totale installata in Italia). MW Impianti di cogenera zione. Potenza installa ta per regione (anno 2005) Si evidenzia al sud il contributo delle regioni Sicilia, Sardegna e Puglia. Molise Valle d'aosta Calabria Marche Liguria Trentino Alto Adige Lazio Campania Umbria Basilicata Friuli Venezia Giulia Abruzzo Puglia Sicilia Sardegna Emilia Romagna Veneto Toscana Piemonte Lombardia 27

28 4 Cogenerazione ad alto rendimento in Italia (2005) Le potenze medie delle sezioni di cogenerazione per attività economiche civili ed industriali sono estremamente variabili : da qualche centinaio di kw nei servizi (impianti sportivi, commercio, ecc.), fino alle centinaia di MW tipiche della grande industria. Taglia media impianti CHP per alcune attività economiche nel 2005 (Fonte GSE) 28

29 5 Prospettive di sviluppo al 2020 Contributo di CESI Ricerca all analisi della cogenerazione ad alto rendimento in Italia. Scopo attività : - Supportare il Gestore dei Servizi elettrici (GSE), nell analisi della diffusione della cogenerazione ad alto rendimento in Italia per l anno 2005, e nella previsione della sua penetrazione all anno Ambito : - Accordo di programma con il Ministero dello Sviluppo Economico per le attività di ricerca e sviluppo di interesse generale per il sistema elettrico nazionale, piano di realizzazione

30 5 Prospettive di sviluppo al 2020 La stima del potenziale della cogenerazione ad alto rendimento è stata effettuata con riferimento agli anni 2010, 2015 e 2020, a partire dai serie storiche dei consumi di energia elettrica associati alle principali attività economiche. La metodologia sviluppata ha richiesto la conoscenza dei parametri tecnico - economici specifici di ogni comparto merceologico. Fonti: - dati statistici TERNA - siti di associazioni ed enti - costruttori e distributori di macchine cogenerative 30

31 5 Prospettive di sviluppo al 2020 Sono stati presi in esame : - attività economiche d interesse per la cogenerazione ad alto rendimento (industria, terziario, agricoltura, domestico), per un totale di 34 comparti merceologici (identificati secondo la classificazione ISTAT) - tecnologie disponibili (motori a combustione interna, microturbine, turbine a gas, cicli combinati, turbine a vapore, motori Stirling, impianti a biomassa) 31

32 5 Prospettive di sviluppo al 2020 Il potenziale è stato valutato con riferimento a due differenti scenari denominati: - Scenario attuale : corrsipondente ad una penetrazione della cogenenerazione secondo l attuale normativa e politica di incentivazione; - Scenario incentivato : corrsipondente ad una maggiore diffusione degli impianti di cogenerazione ottenibile mediante l implementazione di specifiche politiche sui cambiamenti climatici ed una maggiore diffusione della generazione distribuita nel sistema elettrico L analisi ha consentito di evidenziare le quote di energia termica, elettrica e di nuova potenza installata, per le tecnologie utilizzate e i comparti merceologici considerati. 32

33 5 Prospettive di sviluppo al 2020 Risultati dello studio (dati aggregati per macro comparto): Il potenziale della cogenerazione ad alto rendimento, in termini Energia prodotta dagli impianti di cogenerazione Periodo Eth scen. attuale Ee scen. attuale Eth scen. incentivato Ee scen. incentivato di energia elettrica producibile al 2020, risulta essere di 72 TWh per lo scenario più incentivato, e di 62 TWh per lo scenario attuale (nel 2005 era stata di 39 TWh), (TWh) Anno 33

34 5 Prospettive di sviluppo al 2020 In entrambi gli scenari, il maggior contributo alla cogenerazione ad alto rendimento, è dato dal settore industria con circa più del 93% dell energia elettrica e termica fornita. Si evidenzia in ogni caso per il settore terziario una crescita (TWh) ,741,4 Energia da cogenerazione per settore Scenario incentivato (periodo ) Legenda : Ind = industria, Tad = terziario+agricoltura+domestico 51,3 48,1 60,9 67,2 Eth Ee considerevole in termini % (le quote 20 di E e e E th prodotte in questo settore con impianti CHP ,5 1,6 2,9 2,9 5,1 4,6 Ind-2010 Tad-2010 Ind-2015 Tad-2015 Ind-2020 Tad-2020 dovrebbero triplicare entro il 2020). 34

35 5 Prospettive di sviluppo al 2020 Il potenziale della cogenerazione ad alto rendimento, in termini di potenza elettrica al 2020, risulta essere rispettivamente di 14.4 e 12.5 GWe per gli scenari considerati. Tenendo presente che la potenza al 2005 era di 7.7 GWe, questo vuol dire raddoppiare la quota d installato (MW) Potenza elettrcia negli impianti di cogenerazione Scenario incentivato (periodo ) Anno 35

36 5 Prospettive di sviluppo al 2020 Il grosso della potenza elettrica da cogenerazione ad alto rendimento continuerà ad essere fornita dai cicli combinati con Potenza elettrica cogenerativa da impianti a ciclo combinato. Tutti i settori merceologici Scenario incentivato (periodo ) circa il 69% della potenza elettrica (tale quota è stata del 71% nel 2005). (M W e) Anno

37 5 Prospettive di sviluppo al 2020 Crescenti saranno i contributi dati, in termini di potenza elettrica dai motori a combustione interna (CIC) 2000 Potenza elettrica da impianti di cogenerazione in funzione della tecnologia. Tutti i settori merceologici Scenario incentivato(periodo ) dalle turbine a gas (TGC). Il contri CIC buto delle turbine a vapore a contropressione (CPC) e a spillamento (MWe) MTC TGC CPC CSC (CSC) dovrebbero diminuire, con la 400 Altro crescita al contempo dell impiego degli impianti a biomassa (Altro) e Anno microturbine (MTG). 37

38 5 Prospettive di sviluppo al 2020 L analisi prevede infine un incremento nell apporto alla Potenza elettrica nel settore domestico Scenario incentivato (periodo ) cogenerazione ad alto rendimento da parte dei motori Stirling, microturbine e piccoli motori a combustione interna soprattutto per applicazioni nel domestico MWe Totale Microturbine Piccoli motori Stirling (circa 45 MWe di nuova potenza installata, per lo scenario Anno incentivato, nel 2020). 38

39 5 Prospettive di sviluppo al 2020 Lo studio ha inoltre evidenziato un contributo via via crescente dato alla cogenerazione ad alto rendimento da parte degli impianti di generazione di taglia medio-piccola, ossia nell ambito della Generazione Distribuita (<10MVA). La quota di potenza installata, attualmente modesta (poco sopra i 1000 MWe), dovrebbe, entro il 2020, prevedibilmente triplicare soprattutto per la diffusione di tecnologie che impiegano motori a combustione interna, turbine (cicli a vapore e a gas) e microturbine. 39

40 Grazie per l attenzione 40