Dipartimento di Ingegneria dell'energia e dei Sistemi

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1 Roberto Lensi 4. Sistemi Cogenerativi Pag. 1 di 26 UNIVERSITÀ DEGLI STUDI DI PISA Dipartimento di Ingegneria dell'energia e dei Sistemi RISPARMIO ENERGETICO INDUSTRIALE (6 CFU) 4. Sistemi Cogenerativi Roberto Lensi Anno Accademico

2 Roberto Lensi 4. Sistemi Cogenerativi Pag. 2 di 26

3 Roberto Lensi 4. Sistemi Cogenerativi Pag. 3 di 26 SISTEMI COGENERATIVI (CHP COMBINED HEAT AND POWER) m c m f W x m a Produzione di energia meccanica mediante un turbogas Produzione di energia termica utile mediante un generatore di vapore Produzione di energia meccanica e di energia termica utile mediante un sistema cogenerativo con turbogas quale gruppo motore Coefficiente di utilizzazione globale del combustibile: Wx + Qu U = = U F m / e + U mf hi Coefficiente di utilizzazione meccanica o elettrica del combustibile: Wx Um / e = F mf hi Coefficiente di utilizzazione termica del combustibile: Qu Ut = m h F F i t

4 Roberto Lensi 4. Sistemi Cogenerativi Pag. 4 di 26 Bilanci d'energia per un sistema convenzionale (a) e per un sistema cogenerativo (b) per la produzione di energia meccanica e di energia termica utile Indice meccanico o elettrico: I / = W / Q m e x u Rapporto di cogenerazione: λ = Q / W = 1/ I / u x m e

5 Roberto Lensi 4. Sistemi Cogenerativi Pag. 5 di 26 PRODUTTORE Produzione di energia elettrica Produzione totale di energia elettrica mediante sistemi di cogenerazione TWh % TWh % ENEL 170, Aziende Municipali 7,4 4 0,5 4 Autoproduttori industriali 24, ,2 96 Altre imprese minori 1, TOTALE 203, ,7 100 Produzione di energia elettrica in Italia in un anno di riferimento INDUSTRIE GWh % Chimiche ,2 Petrolifere ,0 Cartarie ,5 Siderurgiche 646 4,9 Tessili 567 4,3 Alimentari 561 4,3 Altre 643 4,8 TOTALE Produzione di energia elettrica in Italia da impianti di cogenerazione in un anno di riferimento

6 Roberto Lensi 4. Sistemi Cogenerativi Pag. 6 di 26 PRESTAZIONI ENERGETICHE DEI SISTEMI DI COGENERAZIONE A parità di indice di utilizzazione globale del combustibile U, l'indice meccanico o elettrico è tanto minore quanto più piccolo è U m/e. Supponendo ad esempio U = 0,84 risulta: U m/e Sistema di conversione dell'energia λ = 1/I m/e I m/e 0,42 motore alternativo a c.i. ad accensione per compressione 1 1 0,28 turbogas 2 1/2 = 0,50 0,21 impianto a vapore con elevata contropressione (1) 3 1/3 = 0,33 (1) Di questo tipo è il primo impianto italiano di cogenerazione per teleriscaldamento di aree urbane, realizzato nella città di Brescia. Altri impianti analoghi (o alimentati con spillamenti da centrali termoelettriche) sono stati progettati o si trovano in corso di costruzione. CLASSIFICAZIONE DEI SISTEMI COGENERATIVI IN BASE AL GRUPPO DI POTENZA Sistemi di cogenerazione con turbine a gas Sistema cogenerativo con turbina a gas e caldaia a recupero 1 compressore; 2 camera di combustione; 3 turbina; 4 caldaia a recupero

7 Roberto Lensi 4. Sistemi Cogenerativi Pag. 7 di 26 Sistemi di cogenerazione con turbine a vapore Sistema cogenerativo con turbina a vapore a contropressione Sistema cogenerativo con turbina a vapore a contropressione: ciclo Hirn nel piano di Mollier Sistema cogenerativo con turbina a vapore a derivazione e condensazione Sistema cogenerativo con turbina a vapore a derivazione e contropressione Diagramma di Sankey relativo al bilancio di energia per un gruppo termoelettrico di elevata potenza

8 Roberto Lensi 4. Sistemi Cogenerativi Pag. 8 di 26 Sistema cogenerativo con turbina a vapore a contropressione 1 generatore di vapore; 2 turbina a vapore; 3 degasatore; 4 rigeneratore Sistema cogenerativo con turbina a vapore a derivazione e contropressione 1 generatore di vapore; 2 turbina a vapore alta pressione; 3 turbina a vapore media pressione; 4 turbina a vapore bassa pressione; 5 degasatore; 6 rigeneratore Sistema cogenerativo con turbina a vapore a derivazione e condensazione 1 generatore di vapore; 2 turbina a vapore alta pressione; 3 turbina a vapore bassa pressione; 4 condensatore; 5 degasatore; 6 rigeneratore

9 Roberto Lensi 4. Sistemi Cogenerativi Pag. 9 di 26 Sistemi di cogenerazione con impianti combinati gas/vapore Sistema combinato gas/vapore (fired) per cogenerazione con turbina a vapore a contropressione 1 turbogas; 2 postbruciatore; 3 caldaia a recupero; 4 turbina a vapore a contropressione; 5 utilizzatore del vapore Cogenerazione con sistema combinato gas/vapore (unfired) con turbina a vapore a contropressione Cogenerazione con sistema combinato gas/vapore con turbina a vapore a derivazione e condensazione

10 Roberto Lensi 4. Sistemi Cogenerativi Pag. 10 di 26 Sistemi di cogenerazione con motori alternativi a combustione interna (MCI) Diagramma di Sankey relativo al bilancio di energia a pieno carico per un motore a combustione interna ad accensione per compressione a 4 tempi sovralimentato Sistema cogenerativo con motore alternativo a combustione interna 1 motore; 2 liquido refrigerazione motore; 3 scambiatore di calore; 4 ingresso acqua fredda; 5 uscita acqua calda; 6 utilizzatore acqua calda; 7 gas combusti; 8 caldaia a recupero; 9 ingresso acqua; 10 uscita vapore; 11 utilizzatore vapore

11 Roberto Lensi 4. Sistemi Cogenerativi Pag. 11 di 26 Sistema cogenerativo con motore alternativo a combustione interna ad accensione per compressione Chimica Carta Petrolchimica Alimentare Tessile Ceramica Mattoni Motoristica Legname Cemento Riscaldamento Servizi TG TG (1) TV contropressione Sistemi Combinati Gas/Vapore MCI MCI (1) (1) Utilizzazione diretta dei prodotti della combustione Sistemi cogenerativi impiegati nelle diverse industrie manifatturiere e dei servizi

12 Roberto Lensi 4. Sistemi Cogenerativi Pag. 12 di 26 TG Vasti campi di applicazione Elevata affidabilità Calore a temperatura elevata Potenza da 0,5 MW a 200 MW Gas di scarico con ossigeno Limitazioni sul combustibile Durata non elevata TV Elevati valori di U Elevata affidabilità Utilizza ogni combustibile Lunga durata Vasti campi di potenza Basso valore di W x /Q u Costo elevato Avviamento lento MCI Elevato valore di W x /Q u Elevato rendimento Costo non elevato Lunga durata Flessibilità Elevati costi di manutenzione Calore a temperatura non elevata Calore non concentrato in un'unica fonte Caratteristiche dei sistemi cogenerativi basati sui diversi gruppi di potenza SISTEMA COGENERATIVO SISTEMA CONVENZIONALE IR (%) Impianto Energia utile prodotta U Energia spesa Rendimento Energia spesa Wx = 26,5 0,38 69,7 (Indice elettrico = 0,486 ) TG Qu = 54,5 0,90 60,6 23,3 Totale = 81,0 0,81 100,00 130,3 Wx = 17,0 0,38 44,7 (Indice elettrico = 0,243 ) TG (1) Qu = 70,0 0,90 77,8 18,4 Totale = 87,0 0,87 100,00 122,5 Wx = 15,0 0,38 39,5 (Indice elettrico = 0,200 ) TV Qu = 75,0 0,90 83,3 18,6 Totale = 90,0 0,90 100,00 122,8 Wx = 36,0 0,38 94,7 (Indice elettrico = 1,059 ) MCI Qu = 34,0 0,90 37,8 24,5 Totale = 70,0 0,70 100,00 132,5 (1) con postcombustione Indici di risparmio di energia primaria relativi ai diversi sistemi cogenerativi

13 Roberto Lensi 4. Sistemi Cogenerativi Pag. 13 di 26 TELERISCALDAMENTO URBANO (IMPIANTO DI BRESCIA) La centrale di teleriscaldamento è costituita da un impianto a vapore con turbina Ansaldo a contropressione con scarico a condensatore caldo (scambiatore di calore di alimentazione della rete di teleriscaldamento) e generatore di vapore Breda: Potenza elettrica Potenza termica utile 30 MW kcal/h Generatore di vapore Pressione assoluta vapore surriscaldato 100 bar Temperatura vapore surriscaldato 515 C Portata di vapore a carico termico massimo 175 t/h Rendimento del generatore di vapore 94 % Generatore elettrico (alternatore trifase) Potenza Tensione kva V Schema di sistema cogenerativo per il teleriscaldamento urbano 1 serbatoio combustibile; 2 generatore di vapore; 3 evaporatore; 4 surriscaldatore; 5 economizzatore; 6 collettore cilindrico; 7 preriscaldatore dell'aria comburente; 8 aspiratore fumi; 9 ventilatore aria comburente; 10 depolveratore; 11 turbina a vapore; 12 alternatore; 13 condensatore caldo; 14 rigeneratore; 15 degasatore; 16 trasformatore; 17 sottostazione elettrica; 18 pompa; 19 pompa di alimento del generatore di vapore; 20 pompa mandata circuito teleriscaldamento; 21 pompa ritorno circuito teleriscaldamento; 22 utenze dell'energia elettrica e dell'energia termica utile

14 Roberto Lensi 4. Sistemi Cogenerativi Pag. 14 di 26 TOTEM (TOTAL ENERGY MOTOR) Esempio d'impiego cogenerativo di un motore alternativo a combustione interna ad accensione comandata accoppiato ad un generatore elettrico. Motore FIAT da autovettura mod. 127 A cilindrata: 903 cm 3 regime di rotazione: 3050 giri/min combustibile: GPL, metano o alcool Prestazioni potenza elettrica: 16,5 kw potenza termica: 42,2 kw (36300 kcal/h) vettore dell'energia termica: acqua a temperatura massima di 85 C e salto termico di 15 C Indice elettrico: 0,4 Caratteristiche Il regime di rotazione costante consente di ottenere un rendimento relativamente buono. Il basso valore dell'indice elettrico (per un motore alternativo a combustione interna) è dovuto al non elevato rendimento del motore ed alla possibilità di un energico recupero dell'energia termica, possibilità che deriva dalla bassa temperatura massima del calore utile prodotto (per un impiego di riscaldamento domestico in loco). La struttura modulare (da due ad otto unità) permette di mettere in funzione o disinserire le varie unità per seguire l'andamento delle richieste di energia da parte delle utenze elettriche e termiche.

15 Roberto Lensi 4. Sistemi Cogenerativi Pag. 15 di 26 SFRUTTAMENTO ENERGETICO DI GAS COMBUSTIBILI DI PROCESSO SIDERURGICO Schema d'impianto combinato gas/vapore alimentato da gas di processo siderurgico con generatore di vapore a recupero di calore a due livelli di pressione

16 Roberto Lensi 4. Sistemi Cogenerativi Pag. 16 di 26 Unità AFO COKE OG AFO+COKE Ossido di carbonio: CO % Vol 21,97 7,00 68,20 20,88 Anidride carbonica: CO 2 % Vol 21,10 2,86 17,40 19,78 Idrogeno: H 2 % Vol 2,18 55,52 1,00 6,05 Azoto: N 2 % Vol 54,75 3,40 13,40 51,02 Metano: CH 4 % Vol 27,82 2,02 Etilene: C 2 H 4 % Vol 3,29 0,24 Ossigeno: O 2 % Vol 0,11 0,01 Contenuto in Zolfo ppm Potere calorifico inferiore kcal/m 3 n Potere calorifico inferiore kj/m 3 n Polveri mg/m 3 n 5 Gas combustibili di processo di impianto siderurgico T G T V H R S G Tipo Potenza fornita Potenza compressione gas combustibile Pressione ingresso turbina Temperatura ingresso turbina Turbina Compressore Camera di combustione Compressore del gas combustibile Velocità di rotazione turbina Velocità di rotazione compressore del gas combustibile Tipo Potenza fornita Pressione ingresso turbina sezione alta pressione sezione bassa pressione Temperatura ingresso turbina sezione alta pressione sezione bassa pressione Velocità di rotazione turbina Tipo Portata vapore sezione alta pressione sezione bassa pressione Pressione vapore sezione alta pressione sezione bassa pressione Temperatura vapore sezione alta pressione sezione bassa pressione monoalbero, circuito aperto 124,4 MW 37,0 MW 1,297 MPa 1154 C (1427 K) n. 4 stadi assiali n. 19 stadi assiali tipo anulare n. 17 stadi assiali 3000 giri/min 6310 giri/min monocorpo assiale condensazione 57,6 MW 6,279 MPa 0,729 MPa 510 C (738 K) 276 C (549 K) 3000 giri/min gas di scarico, a doppia pressione 45,83 kg/s 8,611 kg/s 6,525 MPa 0,827 MPa 513 C (786 K) 281 C (554 K) Specifica dei principali componenti dell'impianto combinato gas/vapore alimentato con gas di processo siderurgico

17 Roberto Lensi 4. Sistemi Cogenerativi Pag. 17 di 26 NORMA ITALIANA (UNI 8887)

18 Roberto Lensi 4. Sistemi Cogenerativi Pag. 18 di 26 Schema completo delle possibili interconnessioni energetiche

19 Roberto Lensi 4. Sistemi Cogenerativi Pag. 19 di Condizioni nominali, campo di funzionamento, indici e parametri caratteristici Nelle definizioni si fa riferimento ai "sistemi di teleriscaldamento a cogenerazione". Analoghi parametri possono essere definiti per i "sistemi di cogenerazione", depurando i bilanci energetici dei termini relativi alle reti di distribuzione del calore (consumi dei circolatori, perdite termiche, ecc.). Di seguito vengono definiti alcuni indici caratteristici e condizioni tipiche di funzionamento per i sopradetti sistemi atti ad evidenziarne il comportamento energetico. Tali definizioni sono riportate in due gruppi: definizioni atte ad individuare i campi di possibile funzionamento del sistema e i rapporti caratteristici tra i prodotti energetici (calore ed energia meccanica/elettrica); indici esprimenti il comportamento energetico in condizioni significative di esercizio Condizioni nominali Si definiscono condizioni nominali di un sistema di cogenerazione quelle corrispondenti all'esercizio con il massimo valore della/e potenza/e introducibile nel sistema, in funzionamento continuo (per un periodo specificato). Qualora il sistema abbia diverse modalità di esercizio, sia in relazione al tipo di combustibile e/o relativa combinazione sia in dipendenza alla introduzione ausiliaria di potenza (per esempio: post-bruciatore), si definiscono più condizioni nominali, ognuna relativa ad una modalità di funzionamento continuativo, caratterizzata dal massimo flusso energetico entrante in ogni sezione. Per quanto attiene la centrale di cogenerazione, le condizioni nominali sono valutate nelle seguenti situazioni ambientali di riferimento: temperatura = 15 C pressione = Pa umidità relativa = 50%. Nel caso in cui le prestazioni dei vari componenti del sistema siano note in condizioni ambientali diverse da quelle di riferimento, esse potranno essere ricondotte a tali condizioni, applicando le normative esistenti. Le dispersioni termiche delle reti di distribuzione del calore nelle condizioni nominali sono pure da valutarsi in accordo con le normative esistenti. Nelle definizioni delle condizioni nominali dovranno inoltre essere chiaramente precisate: le caratteristiche del/i combustibile/i impiegato/i (anche degli eventuali additivi) e del/i comburente/i (specificando l'eccesso d'aria); la composizione chimica e le condizioni termodinamiche (temperatura, pressione e, se appropriato, il titolo) dei fluidi o solidi entranti e uscenti dal sistema, siano essi utilizzatori termici o addetti alla dispersione del calore inutilizzato Campo di funzionamento Agli effetti delle possibilità di funzionamento i sistemi di cogenerazione si ripartiscono come segue: con possibilità di funzionamento anche di sola energia meccanica/elettrica; con possibilità di produzione anche di sola energia meccanica/elettrica; con possibilità di produzione anche di solo calore. Conseguentemente si definiscono gli indici seguenti.

20 Roberto Lensi 4. Sistemi Cogenerativi Pag. 20 di 26 9) Vedere nota 6 alla pagina precedente. 10) Vedere nota 7 alla pagina precedente Indici e parametri caratteristici Gli indici e i parametri considerati sono riferiti ad un funzionamento a regime che può coincidere con le condizioni nominali o con altre condizioni di funzionamento significative Rendimento di I principio (indice di resa energetica assoluta globale) Pesa in modo uguale tutte le forme di energie (termiche, meccaniche, elettriche). È definito come rapporto fra la somma delle potenze rese all'utenza e quella delle potenze fornite dalla/e fonte energetica: Le uniche perdite sono dovute alla cessione di calore ai pozzi di calore (in pratica, all'ambiente) direttamente o tramite perdite elettriche e meccaniche.

21 Roberto Lensi 4. Sistemi Cogenerativi Pag. 21 di 26

22 Roberto Lensi 4. Sistemi Cogenerativi Pag. 22 di 26

23 Roberto Lensi 4. Sistemi Cogenerativi Pag. 23 di 26 Condizioni di funzionamento di un sistema di cogenerazione

24 Roberto Lensi 4. Sistemi Cogenerativi Pag. 24 di 26 ANALISI ENERGETICA DI UN SISTEMA DI TELERISCALDAMENTO URBANO Sistema di teleriscaldamento con impianto a vapore a contropressione ANALISI ENERGETICA DI UN SISTEMA CHP DI COGENERAZIONE PURA Impianto a vapore a contropressione 4-5 utenza termica a vapore saturo 5-6 utenza termica ad acqua calda

25 Roberto Lensi 4. Sistemi Cogenerativi Pag. 25 di 26 ANALISI ENERGETICA DI UN SISTEMA CHP DI COGENERAZIONE IBRIDA Produzione separata di lavoro e calore utile Impianti per la produzione separata di energia elettrica e di energia termica utile Cogenerazione di lavoro e calore utile Impianto a vapore a derivazione

26 Roberto Lensi 4. Sistemi Cogenerativi Pag. 26 di 26 BIBLIOGRAFIA Acton, Caputo, "Impianti motori", UTET, Torino, Della Volpe, "Macchine", Liguori Editore, Norma italiana UNI 8887, Febbraio INDICE Frontespizio...1 Sistemi cogenerativi (CHP Combined Heat and Power)...3 Prestazioni energetiche dei sistemi di cogenerazione...6 Classificazione dei sistemi cogenerativi in base al gruppo di potenza...6 Sistemi di cogenerazione con turbine a gas...6 Sistemi di cogenerazione con turbine a vapore...7 Sistemi di cogenerazione con impianti combinati gas/vapore...9 Sistemi di cogenerazione con motori alternativi a combustione interna (MCI)...10 Teleriscaldamento urbano (Impianto di Brescia)...13 TOTEM (total energy motor)...14 Sfruttamento energetico di gas combustibili di processo siderurgico...15 Norma italiana UNI Analisi energetica di un sistema di teleriscaldamento urbano...24 Analisi energetica di un sistema CHP di cogenerazione pura...24 Analisi energetica di un sistema CHP di cogenerazione ibrida...25 Produzione separata di lavoro e calore utile...25 Cogenerazione di lavoro e calore utile...25 Bibliografia...26 Indice...26