L impianto di trigenerazione del Policlinico di Modena: le motivazioni delle scelte progettuali dal punto di vista dell Energy Manager

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1 Workshop Tecnico Efficientamento energetico nelle strutture ospedaliere e residenziali sanitarie Area Science Park Padriciano, Trieste 29 aprile 2015 L impianto di trigenerazione del Policlinico di Modena: le motivazioni delle scelte progettuali dal punto di vista dell Energy Manager Angelo Frascarolo - Azienda Ospedaliero-Universitaria di Modena Trieste, 29 aprile 2015 Pag. 1

2 Il Policlinico di Modena ha un consumo di Energia Primaria pari a TEP/anno (dati 2014). I consumi sono così ripartiti (dati 2014): Energia elettrica: kwh TEP Gas naturale: Smc TEP! Trieste, 29 aprile 2015 Pag. 2

3 Per comprendere il concetto di Energia Primaria, dobbiamo esaminare tre aspetti: 1) Cosa significano questi dati espressi in TEP? 2) Cos è l Energia Primaria? 3) Perché è importante valutare l Energia Primaria? Trieste, 29 aprile 2015 Pag. 3

4 1) Cosa significano questi dati espressi in TEP? TEP = Tonnellata Equivalente di Petrolio Il TEP rappresenta la quantità di energia rilasciata dalla combustione di una tonnellata di petrolio grezzo e vale circa 42 GJ (= 11,7 MWh). Curiosità: in termini di volume, il Barile di Petrolio corrisponde a 42 galloni USA, ovvero a circa 159 litri. Dal punto di vista energetico: 1 BEP (Barile Equivalente di Petrolio) equivale a 164,2 Smc di Gas Naturale (ovvero piedi cubici). [in inglese: OIL = PETROLIO] Trieste, 29 aprile 2015 Pag. 4

5 2) Cos è l Energia Primaria? Una fonte di energia viene definita primaria quando è presente in natura e quindi non deriva dalla trasformazione di nessun altra forma di energia. Esempi: - fonti fossili (petrolio, carbone, gas), - energia nucleare, - fonti rinnovabili (solare, eolica, idroelettrica, geotermica, energia da biomasse). Conseguenza: l Energia Elettrica NON è una forma di Energia Primaria. Trieste, 29 aprile 2015 Pag. 5

6 3) Perché è importante valutare l Energia Primaria? Per consentirci di avere a disposizione l Energia di cui abbiamo bisogno, occorre consumare un quantitativo di Energia Primaria maggiore di quello da noi utilizzato, perché bisogna tenere conto di tutto il processo di produzione, trasporto, distribuzione, trasformazione, che, a partire dalla fonte di Energia Primaria, porta l Energia presso gli utilizzatori (abitazioni, industrie, ospedali, ecc.). Trieste, 29 aprile 2015 Pag. 6

7 Tutto ciò significa, tra l altro, che: - Per 1 kwh di Energia Termica (nella Centrale Termica) occorre consumare una quantità di Energia (Gas Naturale o altro combustibile) che corrisponde circa a 1 kwh di Energia Primaria, perché tutto il gas viene trasformato in calore. - per produrre 1 kwh di Energia Elettrica (nelle centrali elettriche), occorre consumare una quantità di Energia (Gas Naturale o altro combustibile) che corrisponde all incirca a 2 kwh di Energia Primaria, perché i cicli termodinamici della produzione elettrica non permettono di poter trasformare tutto il calore in energia elettrica. Trieste, 29 aprile 2015 Pag. 7

8 E per questo che conviene produrre Energia Elettrica mediante la Cogenerazione (o la Trigenerazione, che è una sua evoluzione): perché essa consente di sfruttare il calore sprecato per effetto dei rendimenti dei cicli termodinamici. Un impianto di Cogenerazione è costituito dai due componenti principali: - un motore accoppiato a un generatore di energia elettrica (che insieme costituiscono un motogeneratore ); - un sistema di recupero del calore dal motore e dai fumi. Trieste, 29 aprile 2015 Pag. 8

9 Il principio fisico che consente di ottenere questo risultato è rappresentato nel seguente schema, che mostra i flussi energetici di un impianto di cogenerazione (generazione combinata di energia elettrica e termica): Produzione combinata: E.P. utilizzata = 100 Produzione separata: E.P. utilizzata = 139 Trieste, 29 aprile 2015 Pag. 9

10 Nella Trigenerazione, oltre che Energia Elettrica e Termica, viene prodotta anche Energia Frigorifera: il calore prodotto nel periodo estivo, quando non è utilizzabile per usi diretti, viene utilizzato per produrre Acqua Refrigerata. Ciò avviene con un gruppo frigorifero ad assorbimento, basato sulle proprietà del bromuro di litio in soluzione con acqua: fornendo calore a questa miscela, essa si trasforma in vapore che, espandendosi, si raffredda notevolmente. E con questo vapore raffreddato si produce acqua refrigerata. Trieste, 29 aprile 2015 Pag. 10

11 Oltre ai vantaggi tecnologici, per la Cogenerazione e la Trigenerazione esistono alcune forme di incentivazione economica, le cui principali sono: 1) Accisa cogenerativa ridotta; 2) IVA agevolata ridotta (10%); 3) Titoli di Efficienza Energetica. Le prime due fra queste riduzioni spettano per i soli consumi cogenerativi, cioè: per la quota parte di Gas Naturale effettivamente impiegato per autoproduzione di energia elettrica. Ai fini fiscali, il Gas defiscalizzato deve essere valutato in base alla formula: [Volume Gas Defisc.] = [Produz. Elettrica] * 0,22 [Smc] [kwh] [Smc/kWh] Trieste, 29 aprile 2015 Pag. 11

12 Tutte queste incentivazioni spettano per i sistemi di Cogenerazione ad Alto Rendimento (C.A.R.), la cui classificazione è basata sul rispetto di due parametri: - PES > 10% (per impianti con Potenza > 1 MW - INDEROGABILE); - PES > 0% (per impianti con Potenza 1 MW - INDEROGABILE); - Rendimento globale > 75% (per tutti gli impianti, esclusi alcuni tipi di turbina - al di sotto di questa soglia ci sono RIDUZIONI degli incentivi). Nel caso del Policlinico di Modena, la valutazione è quella qui a lato: η globale, unità 0, η globale, SOGLIA MINIMA 0,75 VERIFICA POSITIVA Fattore correzione EE regione 0,369 Fatt. correz. perdite rete (EE ceduta alla rete) 0,945 Fattore correz. perdite rete (EE autocons.) 0,925 Quota EE autoconsumata 0,810 Quota EE venduta 0,182 CHPHη 39,21 CHPEη 44,22 RefHη 90,00 RefEη 48,67 PES 26% Limite PES 10% Verifica CAR POSITIVA Trieste, 29 aprile 2015 Pag. 12

13 1) Accisa cogenerativa ridotta. Utenze civili Utenze industriali Accisa civile: 0, /Smc Accisa cogenera;va: 0, /Smc Risparmio: 0, /Smc Accisa industriale: 0, /Smc Accisa cogenera;va: 0, /Smc Risparmio: 0, /Smc N.B. 1: quelli qui indicati sono VALORI MEDI INDICATIVI desunti dai dati del Policlinico di Modena, validi con le tariffe dell Emilia-Romagna e per cogeneratori di alcuni MW. N.B. 2: a seguito della Circ. dell Agenzia delle Entrate del 30/07/2014, le Aziende Sanitarie PUBBLICHE sono state equiparate alle Aziende Sanitarie PRIVATE, per cui ora pagano l ACCISA INDUSTRIALE. Trieste, 29 aprile 2015 Pag. 13

14 2) IVA agevolata ridotta (10%). Utenze che NON fanno denuncia IVA Utenze che fanno denuncia IVA IVA ordinaria: 22% IVA agevolata: 10% Risparmio: 12% (su tuh gli acquis; di Energia a uso cogenera;vo) IVA ordinaria: 22% IVA agevolata: 10% Risparmio: nessuno (l IVA pagata viene recuperata in sede di denuncia IVA) Trieste, 29 aprile 2015 Pag. 14

15 3) Titoli di Efficienza Energetica (TEE). Il DM 04/08/2011 e il DM 05/09/2011 prevedono l emissione di TEE, per la Cogenerazione ad Alto Rendimento, secondo un procedimento di calcolo che si basa sull entità dell Energia Primaria Risparmiata. Nel seguito, il calcolo per il caso del Policlinico di Modena: E CHP (EP introdotta nel sistema) kwh/anno η E,RIF 0,49 H CHP (ET effettivam. recuperata) kwh/anno η T,RIF 0,90 F CHP (EP necess. con sist. trad.) kwh/anno RISP (EP risparmiata) ,28 MWh/anno K 1,30 TEE/anno 1.894,26 Anni incentivo 10 TEE tot ,59 Valore TEE ,50 /TEE Incentivo ,89 /anno Trieste, 29 aprile 2015 Pag. 15

16 Purtroppo, oltre a questi incentivi, ultimamente sono stati adottati dei provvedimenti penalizzanti. 1) Nuova definizione di SEU (SEU = Sistemi Efficienti di Utenza). L aspetto più gravoso nell ambito della complessa procedura introdotta dalla Guida del GSE 04/03/2015, è dato da una nuova condizione inderogabile: per ottenere il riconoscimento di SEU occorre che ci sia: - un solo produttore; - un solo utilizzatore. A seguito di ciò potrebbero venire assoggettati all addebito degli Oneri Generali di Sistema tutti gli ospedali e le strutture sanitarie, in quanto sono sempre presenti soggetti terzi erogatori di servizi di supporto (cucina, bar, lavanolo, ecc.), ma anche altri Enti (USL o Università), ecc., ecc., che utilizzano l energia elettrica autoprodotta dalla struttura sanitaria. N.B. 1 Incidenza: circa 0,60 /kwh per l EE autoprodotta. N.B. 2 Scadenza invio documentazione SEU esistenti: 31/05/2015. Trieste, 29 aprile 2015 Pag. 16

17 2) Partecipazione al pagamento degli Oneri Generali di Sistema. In precedenza, con il decreto tagliabollette del 2014, una parte di questi Oneri era già stata posta a carico degli autoproduttori di Energia Elettrica: - per quelli esistenti alla data del 31/12/2014, l aliquota è del 5% di queste componenti di costo, pari a circa 0,03 /kwh, applicata all EE autoconsumata; - per quelli entrati in esercizio dopo tale data, la suddetta aliquota viene rivalutata biennalmente, a partire dal 1 /09/2015, con incrementi massimi del 2,5%; - queste rivalutazioni verranno di volta in volta calcolate con l obiettivo di conservare inalterato l attuale ammontare complessivo degli Oneri Generali di Sistema a carico della totalità degli utenti NON autoproduttori. Trieste, 29 aprile 2015 Pag. 17

18 Dimensionamento del Cogeneratore o Trigeneratore. La base di dati per questa fase progettuale sono le curve di carico per il fabbisogno elettrico e termico: kwh EE e kwh termici kwh kwh kwht Mesi Grafico comparato del Policlinico di Modena per il Trieste, 29 aprile 2015 Pag. 18

19 Dall esame dei suddetti grafici, si vede che non c è sufficiente carico termico in estate. Questo è un problema di importanza decisiva, in quanto non possiamo dissipare energia termica oltre il 25% circa (valore prudenziale) di quella teoricamente recuperabile, altrimenti perdiamo la qualifica di C.A.R. D altronde, è poco conveniente realizzare un impianto dimensionato per il carico termico invernale e poi doverlo tenere spento in estate. Infatti, gli oneri di ammortamento o di leasing decorrono ugualmente, gravando sul flusso di cassa dell investimento cogenerazione, senza produrre utili. A questo scopo, ci viene in aiuto la possibilità di inserire un gruppo frigo ad assorbimento, che permette di utilizzare l energia termica prodotta dal Cogeneratore in estate, trasformandola in energia frigorifera. Si realizza, in questo modo, la Trigenerazione: produzione combinata di 3 forme di Energia: Elettrica, Termica e Frigorifera. Trieste, 29 aprile 2015 Pag. 19

20 La critica che spesso viene mossa alla Trigenerazione è legata al fatto che l assorbitore ha un rendimento scadente: solitamente ha un COP da 0,6 a 0,8, mentre i gruppi frigo tradizionali arrivano anche a valori superiori a 6. Tuttavia, anche con tale scarso rendimento, l inserimento dell assorbitore è giustificato dal fatto che esso permette di far funzionare il Cogeneratore anche in estate. La conferma di ciò deriva dal calcolo del valore della produzione combinata dei vettori energetici, come si vede dalla seguente tabella, redatta sulla base dei dati del Policlinico di Modena. N.B.: questo calcolo è stato schematizzato assegnando tutto il risparmio alla produzione di Energia Elettrica, ma solo per ottenere un confronto omogeneo. Trieste, 29 aprile 2015 Pag. 20

21 ESEMPIO DI CALCOLO RISPARMIO LORDO ACQUISTO ENERGIA DA COGE REGIME INVERNALE Consumo Gas Nat.: 800 [Smc/h] Consumo Gas Nat. Defiscalizzato (0,22 Smc/kWh,el.): 737 [Smc/h] Prezzo medio Gas Nat. (IVA 22% compr.): 0,4026 [ /Smc] Prezzo medio Gas Nat. (IVA 22% escl.): 0,3300 [ /Smc] Defiscalizzazione x Coge: 0,0019 [ /Smc] Prezzo medio Gas Nat. x Coge (IVA 10% escl.): 0,3190 [ /Smc] Prezzo medio Gas Nat. x Coge (IVA 10% compr.): 0,3512 [ /Smc] Costo orario Gas Nat. Defiscalizzato x Coge (IVA 10% compr.): 258,74 [ /h] Costo orario Gas Nat. NON Defiscal. x riscald. (IVA 22% compr.): 25,45 [ /h] Costo orario Coge (IVA 10% - 22% compr.): 284,19 [ /h] Produzione EE da Coge: [kw] Prezzo medio EE acquistata (compr. IVA 22%): 0,19 [ /kwh] Costo evitato x EE autoprodotta: 636,31 [ /h] Produzione ETh da Coge: [kw] Potere Calorifico Inferiore Gas Nat.: 9,59 [kwh/smc] Rendimento di produzione Energia Termica da Centrale Termica. 0,92 Consumo Gas Nat. evitato con autoproduz. ETh: 374 [Smc/h] Costo evitato x ETh autoprodotta (compr. IVA 22%): 150,60 [ /h] Costo totale evitato x EE ed ETh autoprodotte: 786,91 [ /h] Risparmio Unitario Complessivo Regime INVERNALE: 502,71 [ /h] Percentuale riduzione costo EE in Regime Invernale (*): 79% (*) Vds. nota a pag. successiva. Trieste, 29 aprile 2015 Pag. 21

22 ESEMPIO DI CALCOLO RISPARMIO LORDO ACQUISTO ENERGIA DA COGE REGIME ESTIVO Consumo Gas Nat.: 800 [Smc/h] Consumo Gas Nat. Defiscalizzato (0,22 Smc/kWh,el.): 737 [Smc/h] [dati intermedi: come da tabella precedente] Produzione ETh da Coge: [kw] Produzione ETh utilizzata da Assorb.: [kw] COP Gruppo Frigo Assorbimento 0,75 [kw,fr/kw,th] Produzione EFr da Assorbitore: [kw] COP Gruppi Frigo Condensati ad acqua di Centr. Frigo 5,00 [kw,fr/kw,th] Consumo EE evitata con autoproduz. EFr: 442 [kwh] Costo evitato x EFr autoprodotta (compr. IVA 22%): 83,98 [ /h] Produzione ETh utilizzata in Centrale Termica: 357 [kw] Potere Calorifico Inferiore Gas Nat.: 9,59 [kwh/smc] Rendimento di produzione Energia Termica da Centrale Termica. 0,92 Consumo Gas Nat. evitato con autoproduz. ETh: 40 [Smc/h] Costo evitato x ETh autoprodotta (compr. IVA 22%): 16,29 [ /h] Costo totale evitato x EE, EFr ed ETh autoprodotte: 736,58 [ /h] Risparmio Unitario Complessivo Regime ESTIVO: 452,38 [ /h] Percentuale riduzione costo EE in Regime Estivo (*): 71% (*) Percentuale di riduzione al netto di ammortamenti e costi di manutenzione, valida solo per confronto. Trieste, 29 aprile 2015 Pag. 22

23 In sintesi, la scelta della tipologia e della taglia del Cogeneratore dipende principalmente da: Regime IVA del soggetto attuatore (IVA detraibile oppure no). Regime di accisa del soggetto attuatore (industriale o civile). Caratteristiche delle curve dei consumi termici ed elettrici. Classificabilità del sistema di utenza come SEU (o tipologie equipollenti). Trieste, 29 aprile 2015 Pag. 23

24 COGENERATORE Trieste, 29 aprile 2015 Pag. 24

25 COGENERATORE SILENZIATORI E CAMINO Trieste, 29 aprile 2015 Pag. 25

26 COGENERATORE DISSIPATORI Trieste, 29 aprile 2015 Pag. 26

27 ASSORBITORE Trieste, 29 aprile 2015 Pag. 27

28 TORRI EVAPORATIVE Trieste, 29 aprile 2015 Pag. 28

29 GRAZIE PER L ATTENZIONE Trieste, 29 aprile 2015 Pag. 29