Cogenerazione, teleriscaldamento e trigenerazione

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1 Cogenerazione, teleriscaldamento e trigenerazione Prof. Ing. Piercarlo Romagnoni Dipartimento di Progettazione e Pianificazione in Ambienti Complessi Università IUAV di Venezia pierca@iuav.it

2 Il Consiglio Europeo del Marzo 2007 ha riaffermato l impegno della Comunità a favore dello sviluppo dell energia da fonti rinnovabili in tutta la Comunità oltre il Esso ha approvato un obiettivo obbligatorio del 20 % di energia da fonti rinnovabili sul consumo di energia complessivo della Comunità entro il 2020 e un obiettivo minimo obbligatorio del 10 % che tutti gli Stati membri dovranno raggiungere per quanto riguarda la quota di biocarburanti sul consumo di benzine e diesel per autotrazione entro il 2020, da introdurre in maniera efficiente sotto il profilo dei costi.

3 Direttiva 28/2009/CE D. Lgs. 28 marzo 2011 n 28 Definizioni (art.2) «energia da fonti rinnovabili»: energia proveniente da fonti rinnovabili non fossili, vale a dire energia eolica, solare, aerotermica, geotermica, idrotermica e oceanica, idraulica, biomassa, gas di discarica, gas residuati dai processi di depurazione e biogas;

4 Definizioni (art.2) «biomassa»: la frazione biodegradabile dei prodotti, rifiuti e residui di origine biologica provenienti dall'agricoltura (comprendente sostanze vegetali e animali), dalla silvicoltura e dalle industrie connesse, comprese la pesca e l'acquacoltura, gli sfalci e le potature provenienti dal verde pubblico e privato, nonché la parte biodegradabile dei rifiuti industriali e urbani; Biomass Fired Power Plant, USA

5 Direttiva 28/2009/CE Art Nelle regolamentazioni e nei codici in materia di edilizia, gli Stati membri introducono misure appropriate al fine di aumentare la quota di qualsiasi tipo di energia da fonti rinnovabili nel settore edilizio. Nell elaborare tali misure o nel regime di sostegno regionale, gli Stati membri possono tener conto di misure nazionali riguardanti sostanziali incrementi dell efficienza energetica e riguardanti la cogenerazione e gli edifici passivi, a consumo di energia basso o nullo.

6 D.Lgs. 28/ 2011 Art. 3 (Obiettivi nazionali) 1. La quota complessiva di energia da fonti rinnovabili sul consumo finale lordo di energia da conseguire nel 2020 è pari a 17 per cento. 2. Nell ambito dell obiettivo di cui al comma 1, la quota di energia da fonti rinnovabili in tutte le forme di trasporto dovrà essere nel 2020 pari almeno al 10 per cento del consumo finale di energia nel settore dei trasporti nel medesimo anno. 3. Gli obiettivi di cui ai commi 1 e 2 sono perseguiti con una progressione temporale coerente con le indicazioni dei Piani di azione nazionali per le energie rinnovabili predisposti ai sensi dell articolo 4 della direttiva 2009/28/CE.

7 D.Lgs. 28/ 2011 Allegato 3 (art. 11, comma 11) Obblighi per i nuovi edifici o gli edifici sottoposti a ristrutturazioni rilevanti Nel caso di edifici nuovi o edifici sottoposti a ristrutturazioni rilevanti, gli impianti di produzione di energia termica devono essere progettati e realizzati in modo da garantire il contemporaneo rispetto della copertura, tramite il ricorso ad energia prodotta da impianti alimentati da fonti rinnovabili, del 50% dei consumi previsti per l acqua calda sanitaria e delle seguenti percentuali della somma dei consumi previsti per l acqua calda sanitaria, il riscaldamento e il raffrescamento: a)..; b) il 35 % quando la richiesta del pertinente titolo edilizio è presentata dal 1 gennaio 2014 al 31 dicembre 2016; c) il 50 % quando la richiesta del pertinente titolo edilizio è rilasciato dal 1 gennaio 2017.

8 Direttiva 27/ 2012 CE Art.1 «unità di piccola cogenerazione», un'unità di cogenerazione con una capacità installata inferiore a 1 MW el ; «unità di micro-cogenerazione», un'unità di cogenerazione con una capacità massima inferiore a 50 kw el ; «rapporto elettricità/calore», il rapporto tra elettricità da cogenerazione e calore utile durante il funzionamento in pieno regime di cogenerazione usando dati operativi dell'unità specifica; «teleriscaldamento e teleraffreddamento efficienti», un sistema di teleriscaldamento o teleraffreddamento che usa per almeno il 50 % energia rinnovabile, il 50 % calore di scarto, il 75 % calore cogenerato o il 50 % una combinazione di tale energia e calore;

9 Direttiva 27/ 2012 CE Articolo 9 Misurazione 1. Gli Stati membri provvedono affinché, nella misura in cui ciò sia tecnicamente possibile, finanziariamente ragionevole e proporzionato rispetto ai risparmi energetici potenziali, i clienti finali di energia elettrica, gas naturale, teleriscaldamento, teleraffreddamento e acqua calda per uso domestico, ricevano a prezzi concorrenziali contatori individuali che riflettano con precisione il loro consumo effettivo e forniscano informazioni sul tempo effettivo d'uso. 3. Qualora il riscaldamento e il raffreddamento o l'acqua calda per un edificio siano forniti da una rete di teleriscaldamento o da una fonte centrale che alimenta una pluralità di edifici, un contatore di calore o di acqua calda è installato in corrispondenza dello scambiatore di calore o del punto di fornitura.

10 Statistiche Fonte Report 2015 GSE

11 Settore Elettrico - Numero, potenza e produzione degli impianti alimentati da fonti rinnovabili nel 2015

12 Settore termico - Numero, potenza e produzione degli impianti alimentati da fonti rinnovabili nel 2015

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16 Numerosità e potenza degli impianti a bioenergie (produzione elettrica)

17 Energia termica da fonti rinnovabili nel 2015

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19 Bilancio elettrico nazionale nel 2015

20 Cogenerazione Generalità

21 Produzione combinata di calore e elettricità Nella produzione di energia elettrica con cicli diretti a vapore o gas in turbine o in motori alternativi, si ha come sottoprodotto calore da smaltire a bassa temperatura. Questo può essere utilizzato nel riscaldamento di processo nell industria o nel riscaldamento degli edifici. In questo modo si aumenta notevolmente l efficienza globale e si parla di cogenerazione. Si ha un risparmio dal 60% al 100% di combustibili fossili. Nelle applicazioni di cogenerazione, l efficienza complessiva (contando sia la produzione elettrica che termica) dipende da come è possibile sfruttare il calore di scarto. E possibile ottenere efficienze del 90% e oltre

22 Lo schema di un cogeneratore

23 Ciclo combinato turbina a gas e a vapore COOLING TOWER CONDENSER EXHAUST ELECTRICITY STEAM TURBINE FUEL COMBUSTOR STEAM WATER PUMP HEAT RECOVERY STEAM GENERATOR SHAFT ELECTRICITY COMPRESSOR TURBINE GENERATOR INTAKE AIR Source: Williams (1989, Electricity: Efficient End-Use and New Generation Technologies and Their Planning Implications, Lund University Press)

24 Ciclo semplice con cogenerazione EXHAUST PROCESS STEAM WATER PUMP FUEL COMBUSTOR HEAT RECOVERY STEAM GENERATOR SHAFT ELECTRICITY GENERATOR COMPRESSOR TURBINE INTAKE AIR Source: Williams (1989, Electricity: Efficient End-Use and New Generation Technologies and Their Planning Implications, Lund University Press)

25 Ciclo Combinato con cogenerazione COOLING TOWER PROCESS STEAM CONDENSER EXHAUST ELECTRICITY STEAM TURBINE FUEL COMBUSTOR STEAM WATER PUMP HEAT RECOVERY STEAM GENERATOR SHAFT ELECTRICITY COMPRESSOR TURBINE GENERATOR INTAKE AIR Source: Williams (1989, Electricity: Efficient End-Use and New Generation Technologies and Their Planning Implications, Lund University Press)

26 Lo stato dell arte nella produzione combinata con gas naturale (NGCC) propone efficienze di generazione elettrica pari a 55-60%, comparate con una tipica efficienza di un ciclo singolo pari a 35% Tuttavia i sistemi NGCC sono economici solo nelle taglie da MW o più; per taglie minori sono preferibili sistemi a ciclo semplice Sono state quindi sviluppate delle tecniche per incrementare le efficienze elettriche di cicli semplici fino a 42-43%, e con una di queste è possibile raggiungere il 54-57%

27 Uno dei limiti di questo tipo di produzione di energia è la necessità di un consumo contemporaneo di calore e energia elettrica. E necessario avere nello stesso edificio o a breve distanza sia l utilizzatore di calore che quello di elettricità. L industria (carta, acciaio, alimentare), gli alberghi, gli ospedali o l aggregazione di un produttore di elettricità e un quartiere residenziale sono dei possibili esempi di applicazione. Un ulteriore problema è legato al fatto che l utilizzo di calore deve essere presente durante tutto il corso dell anno. Negli ultimi anni si sono messi a punti sistemi che nel periodo estivo utilizzano il calore per far funzionari gruppi di refrigerazione ad assorbimento. Realizzando la cosiddetta trigenerazione.

28 Impianto cogenerazione e produzione separata Il confronto

29 Elettricità: rapporto di calore nella cogenerazione 2.0 Electricity:Useful-Heat Ratio Microturbine Reciprocating engine/ heat recovery steam generator Gas turbine/ back-pressure steam turbine 0.0 Backpressure steam turbine Gas turbine/ heat recovery steam generator Fuel cell/ heat recovery steam generator Fuel cell/ gas turbine/ back-pressure steam turbine

30 Un esempio storico Il TOTEM è il motore a metano della FIAT 500 e della Panda che, accoppiato ad un alternatore, produce energia elettrica. Tramite un efficiente sistema di scambiatori, il calore del motore e dei fumi di scarico viene completamente recuperato e reso disponibile gratuitamente all utente. Il sofisticato sistema di controllo motore Magneti Marelli, garantisce il rispetto della normativa EURO 6. Tali tecnologie garantiscono al TOTEM emissioni 20 volte inferiori a quelle di una moderna caldaia.

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33 Cogenerazione di grossa taglia Si hanno a disposizione diversi tipi di motori alternativi dual fuel (gas e gasolio)

34 Cogenerazione di grossa taglia

35 LFG CHP for district heating system, Sweden Esempi di centrali di cogenerazione a biomassa Centrale di Lunes - Brunico Centrale di La Villa Alta Badia

36 Microcogenerazione a scala di edificio

37 La micro-cogenerazione Negli ultimi 5 anni si sono messi a punto cogeneratori di piccolissime dimensioni 1-5 kw elettrici, da installare in singole abitazioni e di piccole dimensioni per condomini kwe. Si tratta di turbine, motori alternativi e celle a combustibile. Stirling WhisperGen 5 kwe. Microturbina Capstone 30 kwe. celle a combustibile 1,5 kwe.

38 Produzione combinata di calore e elettricità

39 La microgenerazione Abbinare alla produzione di calore la produzione di energia elettrica con ingombri limitati Utilizzo: gas metano o idrogeno con reforming Ciclo Stirling

40 Microcogeneratore Motore a gas a 3 cilindri Intervallo di manutenzione: 6000 ore di funzionamento produce da 6 kw el a 14,8 kw th

41 Cogeneratori a fuel cell La pila a combustibile e' un generatore elettrochimico in cui, in linea di principio, entrano un combustibile (tipicamente idrogeno) e un ossidante (ossigeno o aria) e da cui si ricavano corrente elettrica continua, acqua e calore. Il combustibile (idrogeno) e i gas ossidanti (ossigeno dato semplicemente dall'aria) lambiscono rispettivamente l'anodo e il catodo (sulle facce opposte a quelle in contatto con l'elettrolito). I rendimenti delle celle a combustibile vanno dal 40-48% per gli impianti con celle a bassa temperatura, fino al 60% per quelli con celle ad alta temperatura e giungono addirittura fino al 85% se si utilizza anche il calore da esse prodotto.

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44 Il teleriscaldamento

45 Il teleriscaldamento: la rete Gruppo pompe centrale teleriscaldamento Ferrara.

46 Il teleriscaldamento: la rete

47 Il teleriscaldamento: la rete

48 Il teleriscaldamento: sottocentrali e scambiatori Nella centrale termica dell utenza si ha uno scambiatore di calore compatto, quasi sempre del tipo a piastre.

49 Il teleriscaldamento: scambiatori Nella centrale termica dell utenza si ha uno scambiatore di calore. Quasi sempre a piastre in quanto molto compatto. Centrale Teleriscaldamento particolare di collegamento dell impianto solare allo scambiatore sanitario dell azienda AGSM di Verona Spa La sottocentrale: scambiatore; filtro; valvola di regolazione; valvola di intercettazione; sfiati; pozzetti di ispezione; scarichi

50 Il teleriscaldamento: scambiatori Lo scambiatore a piastre

51 Perdite di calore L uso di schiuma di poliuretano consente di ridurre le perdite di energia termica. In determinate circostanze, una tubazione D N = 400 mm con s = 45 mm q loss = 62,3 W/m con s = 65 mm q loss = 49 W/m

52 Il fornitore di calore firma un contratto per la fornitura di una certa quantità di calore. Per essere in grado di adempiere a questo contratto, è richiesta ad ogni sottostazione una bassa pressione disponibile di kpa. La pressione disponibile presso la sottostazione situata più lontano viene mantenuta costante con un controllo della pressione che controlla la velocità di rotazione della pompa tramite un controllo della pompa, un convertitore di frequenza. La pressione è disponibile, nonostante il controllo della pompa, diversa a flusso totale, a seconda di dove la sottostazione è collegata nel sistema. Più vicina si è all'unità di produzione, più la pressione è elevata. Al flusso minimo le differenze di pressione disponibili tra la prima e l'ultima stazione collegata sono piccole.

53 La distribuzione Il controllo della pressione, con il sensore all'estremità del sistema, garantisce una pressione minima disponibile al sistema. Ci saranno grandi differenze di pressione disponibili con flusso diverso.

54 Un regolatore di pressione differenziale rileva la pressione differenziale tra due punti in un sistema di tubazioni e può, tramite due tubi di impulso, mantenere una pressione differenziale costante attivando un diaframma e un cono nel corpo della valvola. Se una valvola a pressione differenziale è collocata nella direzione di flusso a valle della valvola di controllo, con un tubo a impulsi collegato prima e uno dopo la valvola di controllo, la pressione differenziale attraverso la valvola di controllo sarà costante, indipendente dal volume del flusso. Le variazioni di pressione disponibile, che possono verificarsi, non Influenzeranno la valvola di controllo.

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57 Teleriscaldamento da fonti geotermiche Il teleriscaldamento è uno dei modi più interessanti per usare direttamente i fluidi geotermici a bassa temperatura ( C). Si utilizzano scambiatori di calore che permettono di riscaldare l'acqua circolante nei corpi scaldanti (radiatori, termoconvettori o pannelli radianti) dell'impianto di riscaldamento delle abitazioni. Un impianto del genere è quello di Ferrara nel quale si utilizza un pozzo geotermico situato a 2000 metri di profondità, sviluppa una potenza di 12 MW con i quali vengono riscaldati circa m 3 di alloggi collegati alla rete.

58 Il teleriscaldamento Ferrara Geotermico Portata complessiva: 400m 3 /h Temperatura fluido geotermico: C Temperatura fluido teleriscaldamento in mandata: C Temperatura fluido teleriscaldamento in ritorno: C Potenza termica nominale: 14 MW t Disponibilità di utilizzazione: continua Energia termica fornita: MW t /anno (il dato è relativo all'anno 2003) In 22 anni sono stati collegati alla rete degli impianti di Cassana oltre appartamenti circa.

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61 Refrigerazione ad assorbimento La macchina ad assorbimento basa il suo funzionamento sulla capacità igroscopica di soluzioni concentrate di sali quali il bromuro di litio LiBr. La macchina nella forma base è costituita da: evaporatore, assorbitore, condensatore, generatore di calore, alcune pompe. Lo scambio di calore tra sorgente bassa temperatura e sorgente ad alta temperatura avviene senza apporto di lavoro, ma con apporto di calore da una terza sorgente (caldaia gas, acqua calda da sole).

62 I cicli ad assorbimento

63 In genere si utilizza una soluzione di acqua (solvente-refrigerante) e bromuro di litio (soluto), oppure ammoniaca (solventerefrigerante) e acqua (soluto). Nell evaporatore mantenuto a bassa pressione il solvente evapora assorbendo calore dall esterno, mentre la soluzione si concentra. Il resto del ciclo ha come scopo il recupero del solvente che deve essere riusato. L igroscopicità del LiBr provoca l assorbimento di vapore d acqua da parte della soluzione concentrata presente nell assorbitore e proveniente dal generatore

64 Nel generatore la soluzione diluita in arrivo dall assorbitore viene concentrata mediante riscaldamento e vaporizzazione del solvente. La soluzione concentrata viene inviata all assorbitore. Il vapore prodotto nel generatore viene inviato al condensatore. L acqua liquida ottenuta viene a sua volta inviata nell evaporatore dove riprende il ciclo. Per aumentare l efficienza della trasmissione di calore l acqua nell evaporatore e la soluzione concentrata nell assorbitore vengono spruzzate sui fasci tubieri degli scambiatori

65 Il ciclo ad assorbimento a gas Gas metano

66 I cicli ad assorbimento

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68 Macchina ad assorbimento

69 D.M. 7/04/2008

70 Si può utilizzare il calore prodotto dall impianto cogenerativo anche come sorgente principale di energia, in luogo dell elettricità, per la produzione di freddo tramite sistemi ad assorbimento (chiller ad assorbimento). Fonte: ENEA

71 Lo schema di un trigeneratore

72 L impianto di trigenerazione a servizio del complesso di edifici dello IUAV è stato installato sulla copertura dell'ex cotonificio di Santa Marta. Una rete di teleriscaldamento permette di distribuire ai vari stabili che compongono il complesso il vettore termico per il riscaldamento. Il raffrescamento è direttamente a servizio della sede di S. Marta Potenza elettrica = 238 kw Potenza termica = 363 kw Assorbitore = 255 kw

73 COGENERATORE ASSORBITORE TORRE EVAPORATIVA il terrazzo dell ex cotonificio

74 Dettaglio del cogeneratore Motore e alternatore

75 La rete di distribuzione

76 Utenze servite