Tecnologie per la generazione distribuita

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1 Torna al programma Tecnologie per la generazione distribuita Ennio Macchi - Politecnico di Milano

2 LE PREVISIONI (OTTIMISTE) IN LETTERATURA Worldwide Annual Capacity Additions (GW) e 2008e Total Capacity Additions Distributed Gen Capacity convegno CESI 31 ottobre

3 CENTRO TERZIARIO SOLO PARALLELO E SOCCORSO RETE ENEL CESSIONE ECCEDENZE ELETTRICITA' ACQUA CALDA/FREDDA CENTRALE DI MICROCOGENERAZIONE (con pompa di calore e caldaia ausiliaria) GASDOTTO convegno CESI 31 ottobre

4 IL QUADRO DI RIFERIMENTO ATTUALE La concorrenza delle grandi centrali è difficile da battere (quasi impossibile senza incentivi)! Stesso combustibile (gas naturale) Elevati rendimenti (prossimi al 60%) Bassi costi specifici ( /kw) Basse emissioni specifiche (Dry Low Nox) Combustibili molto più economici (carbone) Assenza di incentivi (certificati bianchi?) Uniche possibilità per GD (a breve termine): Elevata valorizzazione dell elettricità Risparmi energetici (grazie all utilizzo del calore) Tri-generazione convegno CESI 31 ottobre

5 Hospitals Wastewater Plants Universities Data Centers Office Buildings convegno CESI 31 ottobre

6 Stima del mercato potenziale nel settore terziario Potenza < 500 kw el Ospedali Alberghi Centri Commerciali Centri sportivi [MW] convegno CESI 31 ottobre di 14

7 IL FUTURO? tecnologie avanzate (rendimenti elettrici elevati anche per piccole taglie): microturbine a gas cicli ibridi celle a combustibile. il vettore idrogeno (soluzioni zero emission, non solo di inquinanti, ma anche di gas serra) Risparmi energetici e benefici ambientali (se effettivi) potrebbero giustificare incentivazioni economiche a carico della collettività convegno CESI 31 ottobre

8 La concorrenza convegno CESI 31 ottobre

9 LA CONCORRENZA HA FATTO GRANDI PROGRESSI! potenza totale ~ 400 MW el rendimento netto ~58% Investimenti specifici Frame G~ 400 /kw el β=21 TIT=1430 C ~ TFUEL=200 C TMAX=600 C convegno CESI 31 ottobre ~

10 VI È ANCORA UN MARGINE DI MIGLIORAMENTO MODESTO (raffreddamento delle pale della turbina a gas in ciclo chiuso, maggiore integrazione fra ciclo a gas e ciclo a vapore) ATS: raffreddamento delle palettature a vapore e aria in circuito chiuso a turbina MP circuito vapore pale statoriche da turbina AP al combustore aria in circuito aperto circuito aria pale rotoriche dal compressore convegno CESI 31 ottobre

11 62 Net electric efficiency (LHV), % OL-AC+SC CL-SC+SC CL-SC PRESENTE Futuro? OL-AC convegno CESI 31 ottobre

12 ANALISI DI II PRINICIPIO DEI CICLI COMBINATI Tutte le perdite (turbomacchine, scambiatori di calore) sono di piccola entità, tranne quelle durante la combustione Unica possibilità di fare un grande salto di qualità: Sostituire la combustione con altri processi di ossidazione più reversibili (le celle a combustibile) Le celle a combustibile sono soluzioni modulari, con prestazioni poco dipendenti dalla taglia => GD convegno CESI 31 ottobre

13 COMPARATIVE EFFICIENCIES OF ELECTRIC POWER PLANTS DFC /Turbine 70 Combined Cycle Direct FuelCell 50 Gas Turbines PA/PEM FC Engines Coal/Steam 30 Microturbines SYSTEM SIZE (MW) convegno CESI 31 ottobre EFFICIENCY, %(LHV)

14 Rendimento elettrico, % Celle a combustibile ad ossidi solidi + turbina a gas Celle a combustibile ad acido fosforico Rendimento termico, % Micro-turbine a gas ceramiche Micro-turbine a gas metalliche convegno CESI 31 ottobre

15 MICROTURBINE 260 MWe costo: 150 $/kw 10 MWe costo: 300 $/kw 1 MWe costo: $/kw 0.05 MWe costo:??? $/kw convegno CESI 31 ottobre

16 gas naturale gas combusti al recupero termico AC 50 Hz COMBUSTORE RIGENERATORE INVERTER DC COMPRESSORE RADDRIZZATORE ingresso aria TURBINA ~ AC ALTA FREQUENZA convegno CESI 31 ottobre

17 Basi dello sviluppo delle MTG Completo ripensamento rispetto alle unità di maggior potenza: utilizzo di turbomacchine radiali invece che assiali riduzione del rapporto di compressione adozione del ciclo rigenerativo turbina non raffreddata eliminazione del riduttore di giri meccanico adozione della conversione statica di frequenza convegno CESI 31 ottobre

18 assiali: grandi turbine a gas Turbomacchine centrifughe: piccole turbine a gas, compressori industriali, turbocompressori convegno CESI 31 ottobre

19 Electrical efficiency vs pressure ratio Ceramica 36 Rendimento, % Stato dell arte TIT=1200 TIT=1000 TIT=900 TIT= Rapporto di compressione convegno CESI 31 ottobre

20 PERCHÈ INTERESSA LA TRIGENERAZIONE Migliora l IRE (che è calcolato su base annua) Consente aumentare le ore in cogenerazione [kw] gen feb mar apr mag giu mesi lug ago sett ott nov dic convegno CESI 31 ottobre

21 Best Plant Configuration The plant is based on a combination of MTG with heat recovery, Electric heat pump/ reversible compressor unit (EHP/ERC), and Absorption chiller (AC). MTG+ERC/EHP+AC configuration stack MTG fuel Electric losses ERC/EHP ~ ambient air Auxiliary consumption cooling water cooling load Heat recovery NGB fuel heating load electric load + EG Absorption chiller (AC) AC cooling water convegno CESI 31 ottobre

22 Possibilità applicative nel settore civile Tri-generazione: fornitura di calore e di energia frigorifera per il condizionamento estivo Possibilità di accoppia-mento diretto o con albero elettrico a pompe di calore (anche reversibili) e terziario acquisto da rete perdite caldaia perdite MTG perdite el./aux. PDC utenza elettrica cessione a rete elettricità utenza calore dall'ambiente gas naturale a MTG elettricità MTG utenza termica gas naturale a caldaia integr. convegno CESI 31 ottobre elettricità a PDC calore PDC rec.calore MTG calore da caldaia integr.

23 LE CELLE A COMBUSTIBILE Fuel Cell Type Anode Reaction Ion Transport In Electrolyte Cathode Reaction Operating Temperature ( O C) PEM H 2 2e - + 2H + H + 2H + + 1/2 O 2 + 2e - H 2 O KOH 2e - + 2H 2 O H 2 + 2(OH) - OH - 2(OH) - H 2 O + 1/2 O 2 + 2e - <120 PAFC H 2 2e - + 2H + H + 2H + + 1/2 O 2 + 2e - H 2 O 200 CARBONATE 2e - + H 2 O + CO 2 H 2 + CO 3 = CO 3 = CO 3 = 1/2 O 2 + CO 2 + 2e SOFC 2e - + H 2 O H 2 + O = O = O = 1/2 O 2 + 2e _ e - + MF convegno CESI 31 ottobre

24 SOFC / hybrid cycle demonstration plants atmospheric 100 kw SOFC prototype plant and 220 kw hybrid cycle (copyright Siemens-Westinghouse) Next demonstration plants: 320 kw 1 MW; (in Italy a 320 kw plant at Edison scheduled for 2002) UPS Sistema DC/AC ad inverter Sistema di alimentazione combustibile Quadri elettrici Turbina a gas Modulo SOFC convegno CESI 31 ottobre

25 convegno CESI 31 ottobre

26 SOFC + GT cycle configuration 200 kw SOFC + 50 kw microturbine; 65% LHV net electric efficiency and 230 C exhaust gas for cogeneration Natural gas Qth= 399 kw ~ to stack Sulphur Recuperator Air 0.5 kg/s Pel,SOFC = kw Pel,GT = 53.2 kw Pel,net = 259 kw ηel = 64.9% Cathode Anode Fuel Cell DC AC T [ C] P [bar] m [kg/s] ~ convegno CESI 31 ottobre

27 convegno CESI 31 ottobre

28 DFC STACK CONCEPT OXIDANT FUEL DIR CATALYST NATURAL GAS PARTIALLY REFORMED FUEL IIR CATALYST REFORMER UNIT DIR CELL PACKAGE OXIDANT convegno CESI 31 ottobre 2003 MO

29 DIRECT FUELCELL COST OF ELECTRICITY GENERATION POWER PLANT RATING 3.0 MW NATURAL GAS COST $2.5/MMBtu NATURAL GAS COST $4.0/MMBtu CAPITAL COST $1250/kW COST OF ELECTRICITY 4.2 cents/kwh COST OF ELECTRICITY 5.1 cents/kwh 15' 54' convegno CESI 31 ottobre ' STACK REPLACEMENT COST $380/kW (every 5 years) BALANCE OF PLANT LIFE 30 years LOAD FACTOR 95% O&M COST (Unmanned Plant) FIXED (Monitoring, etc.) $21,000/yr VARIABLE (Consumables) $89,000/yr COGENERATION STEAM NO CREDIT MO

30 HIGH EFFICIENCY DFC /TURBINE POWER PLANT Compressed Air is Heated with Fuel Cell Waste Heat, Expanded, and then Used as the Fuel Cell Oxidant WATER Oxidizer Anode Cathode DIRECT FUEL CELL FUEL HRU GENERATOR Efficiencies of ~ 75% are possible AIR Potential to Significantly Lower $/kw Cost convegno CESI 31 ottobre

31 CICLI IBRIDI (FUEL CELL + TG) RENDIMENTI oltre il 70% convegno CESI 31 ottobre

32 MCFC (FUEL CELL ENERGY) Torna al programma Expand manufacturing capacity -To 50 MW/year in To 400 MW/year in Establish 1.5 MW factory test facility in 2001 convegno CESI 31 ottobre