Cogenerazione, microcogenerazione e il problema delle emissioni in atmosfera. Ing. Andrea De Pascale Università di Bologna - DIEM

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1 Cogenerazione, microcogenerazione e il problema delle emissioni in atmosfera Ing. Andrea De Pascale Università di Bologna DIEM 1

2 La cogenerazione la microcogenerazione Combustibili Elettricità/energ. meccanica calore Assorbitore freddo Tecnologie CHP (di piccola taglia) a combustione interna a combustione esterna Motori endotermici alternativi (MCI) Motori Stirling Microturbine a gas (MGT) Cicli Rankine a fluido Organico (ORC) o H2O 2

3 La combustione interna Combustibili pregiati (GN, gasolio) o trattati (biogas, oli vegetali) Recuperi termici da varie sezioni interne alla macchina Fumi: prodotti di combustione controllata 3

4 La combustione esterna Separa l impianto di combustione dal motore primo per la produzione dell energia mediante fluido termovettore Combustibili di varia origine (carboni, rifiuti, biogas, biomasse, oli combustibili, ecc ) Prodotti di combustione da trattare 4

5 I prodotti della combustione H 2 O N 2 O 2 CO 2 altro 5

6 L anidride carbonica Le emissioni di CO 2 e il consumo di energia primaria 4.5 ton CO 2 tep GN Benzina Cherosene Olio comb. Metanolo Coke Lignite H2 Emissione per unità di energia del combustibile 11 3 % carbonio PCI 6

7 Le altre emissioni gassose Dipendono dal combustibile e dalla tecnologia di combustione gas naturale gasolio carbone. combustione continua stechio NOx, CO, NOx, CO, PM, SOx, magra NOx, CO, NOx, CO, PM, SOx, NOx, CO, HC, PM, SOx, metalli, combustione intermittente stechio NOx, CO, HC, NOx, CO, HC, PM, SOx, magra NOx, CO, HC, NOx, CO, HC, PM, SOx, 7

8 L impatto sull ambiente le emissioni gassose hanno diversa pericolosità per l ambiente e il loro effetto non può essere una somma algebrica CO NOx SOx CO 2 HC Fattore Tossicità Umana (rif. Pb) Acidificazione (rif. SOx) Effetto Serra (rif. CO2) 1 Eutrofizzazione (rif. Fosfato) Ozono fotochimico (rif. Etilene)

9 Il raggio d azione: impatto locale o globale stratosfera t roposfera m esosfera spostamento verticale [km ] O 3 ore giorni idrocarburi SO 2 NOx NH 3 particolato CO mesi anni decenni CO spostamento orizzontale [km ] CH 4 altri gas serra tempo di residenza nell'atm osfera comun ale Scale locali provinciale regionale nazionale e internazionale Scala globale 9

10 La misura delle emissioni MASSA di INQUINANTE Nm 3 di fumi energia del combustibile combustibile energia utile calore e/o elettricità 10

11 La misura delle emissioni la concentrazione di inquinante nei fumi (mg/nm 3 ): non immediato il legame con l energia del combustibile e nessuna informazione sull efficienza della conversione Fattore di emissione input based based, ovvero per unità di energia del combustibile (mg/kcal): nessuna informazione sull efficienza della conversione Fattore di emissione output based based, ovvero per unità di energia utile prodotta (mg/kwh utile): chiaro indicatore del rapporto tra il costo ambientale ed il beneficio per la collettività 11

12 La misura delle emissioni emissioni per unita' di energia del combustibile mg/kwh 1000 rendimento elettrico (%) = mg/kwhe EMISSIONI PER UNITA' DI ENERGIA ELETTRICA PRODOTTA 15 % di O 2 GAS NATURALE 5 % di O 3 % di O mg/nm 3 CONCENTRAZIONE di INQUINANTE NEI FUMI emissioni per unita' di energia del combustibile mg/kwh 12

13 Vantaggi approccio output based chiaro indicatore del rapporto tra il costo ambientale ed il beneficio per la collettività; sinergia tra le politiche di efficienza energetica e di contenimento dell impatto ambientale; l incremento dell efficienza energetica è una tecnica di riduzione delle emissioni che agisce contemporaneamente su tutte le specie inquinanti; incentiva l incremento di efficienza come alternativa all adozione di sistemi di post trattamento. 13

14 Cogenerazione: vantaggi Rispetto alla produzione separata 1) Risparmio di energia primaria (principalmente combustibili fossili) Quantificazione mediante IRE (PES) Delibera AEEG 42/02, Direttiva 2004/08/CE, 2) Riduzione delle emissioni gassose in atmosfera Quantificazione del risparmio di emissioni non indicato dalla normativa attuale 14

15 Cogenerazione e normativa inquinamento il cogeneratore è un sistema energetico basato su di un processo di combustione emissioni gassose tipiche della tecnologia e del combustibile impiegati il cogeneratore è visto dall attuale normativa in materia ambientale come una caldaia o come un generatore elettrico non si tiene conto del doppio prodotto (elettricità e calore) 15

16 Cogenerazione e normativa inquinamento Quali valori limite? assoggettare un sistema CHP agli stessi limiti autorizzativi ambientali previsti per il motore primo non CHP: idoneo per cogeneratori topping (MCI, MTG, TG, ecc.) dove l energia elettrica è l effetto utile primario e il termico èil sottoprodotto del ciclo termodinamico assoggettare un sistema CHP agli stessi limiti autorizzativi ambientali previsti per un impianto di sola generazione di calore (caldaia): idoneo per cogeneratori bottoming (ORC, TPV, ecc.) dove la produzione di elettricità è di secondaria importanza e avviene sfruttando il calore recuperato da un processo di combustione dedicato alla produzione termica assoggettare un sistema cogenerativo a limiti autorizzativi ambientali appositamente introdotti per la cogenerazione 16

17 Cogenerazione e normativa inquinamento Valutazione del beneficio ambientale della cogenerazione criterio basato sulla valutazione degli inquinanti a livello locale: il metodo della caldaia evitata confronto con la produzione separata per inquinanti ad impatto globale: il metodo dell IRA 17

18 Il metodo della caldaia evitata Il beneficio ambientale della cogenerazione è legato al fatto che, grazie al recupero termico, posso evitare di tenere in esercizio una caldaia, risparmiandone le emissioni. Produzione separata in loco cogenerativa Β Α E e E t E t 18

19 Il metodo della caldaia evitata Il beneficio ambientale della cogenerazione è legato al fatto che, grazie al recupero termico, posso evitare di tenere in esercizio una caldaia, risparmiandone le emissioni. Β Α Produzione separata in loco E e E t Β Α Cogenerazione E e E t E t 19

20 Il metodo della caldaia evitata Il beneficio ambientale della cogenerazione è legato al fatto che, grazie al recupero termico, posso evitare di tenere in esercizio una caldaia, risparmiandone le emissioni. δ cog = δ nocog λ t η t B A E E t e δ δ E E cog λ t η nocog t t e emissioni del cogeneratore emissioni del motore primo in assetto non cogenerativo emissioni di riferimento della caldaia evitata produzione termica del cogeneratore produzione elettrica del cogeneratore 20

21 Il riferimento della caldaia evitata η t λ t Il rendimento di riferimento della caldaia evitata può essere scelto: secondo la Decisione 2007/74/CE (0.9 per gas naturale) secondo AEEG 42/02 (0.8 per civile, 0.9 per industriale) secondo Scheda Tecnica 21 (delibere AEEG 177/05 e 187/05) utilizzando η t = log Pn ( kw ) Le emissioni di riferimento della caldaia evitata possono essere scelte: secondo le classi di merito previste nelle norme UNI EN 483, 656 utilizzando i limiti imposti dalle autorità competenti alle caldaie 21

22 L Indice di Risparmio Ambientale IRA Le emissioni della cogenerazione vengono messe in relazione con le emissioni della grande produzione separata di elettricità e calore. IRA ( A + B) ( A + B) C = = 1 λ e η e δ λ t + η t E E t e Produzione separata ambito locale Cogenerazione A Β C km E e E t E e E t 22

23 La produzione elettrica di riferimento Il rendimento elettrico di confronto può essere scelto: η e λ e secondo la Decisione 2007/74/CE (in funzione al combustibile) secondo AEEG 42/02 (in funzione di taglia e combustibile) Le emissioni di riferimento della produzione elettrica: valori medi della produzione nazionale BAT IRA richiede inoltre i valori di riferimento del termico (come il metodo caldaia evitata ): λ t η t 23

24 Un esempio numerico sui NOx Cogeneratore Riferimenti impiegati Rendimento termico 0.50 Rendimento termico caldaia evitata (Decisione 2007/74/CE) 0.90 Rendimento elettrico 0.35 Rendimento elettrico di riferimento (Decisione 2007/74/CE) 0.52 Rendimento globale 0.85 NOx: emissione caldaia evitata [mg/kwh pci ] ( secondo Norme UNI 297, 483 & 656) 200 Emissioni di NOx [mg/kwh pci ] 200 NOx: emissioni della produzione elettrica di riferimento [mg/kwh pci ] (ENEL, Rapporto ambientale 2006) 230 Risultati TG MCI concentrazione [mg/nm 3 ] Emissioni input based [mg/kwh pci ] emissioni del motore non cogenerativo [mg/kwh e ] emissioni evitate [mg/kwh e ] (metodo caldaia evitata) emissioni del motore cogenerativo [mg/kwh e ] IRA

25 Un secondo esempio numerico sui NOx Cogeneratore Riferimenti impiegati Rendimento termico 0.50 Rendimento termico caldaia evitata (Decisione 2007/74/CE) 0.90 Rendimento elettrico 0.35 Rendimento elettrico di riferimento (Decisione 2007/74/CE) 0.52 Rendimento globale 0.85 NOx: emissione caldaia evitata [mg/kwh pci ] ( Norme UNI 297, 483 & 656) 100 Emissioni di NOx [mg/kwh pci ] 200 NOx: emissioni della produzione elettrica di riferimento [mg/kwh pci ] 200 Risultati TG MCI concentrazione [mg/nm 3 ] Emissioni input based [mg/kwh pci ] emissioni del motore non cogenerativo [mg/kwh e ] emissioni evitate [mg/kwh e ] (metodo caldaia evitata) emissioni del motore cogenerativo [mg/kwh e ] IRA

26 Emissioni di cogeneratori in commercio Emisioni NOx output based δ cog [mg/nm 3 ] γ=500 mg/nm 3 (5%O 2 ) ICE (Pel <100kW) ICE (100 kw < Pel < 1MW) ICE (1MW < Pel <10 MW) MTG TG (Pel < 10 MW) % 25% 30% 35% 40% 45% 50% Rendimento elettrico γ=50 mg/nm 3 (15%O 2 ) 26

27 Emissioni di cogeneratori in commercio 2000 Emissioni evitate NOx δ avd [mg/nm 3 ] 1500 ICE (Pe <100kW) ICE (100 kw < Pe < 1MW) ICE (1MW < Pe <10 MW) MGT GT (Pe < 10 MW) 1000 fuel: NG λ t' =200 mg/kwh η t' =90% 500 η t =0.75 η =0.4 t 0 20% 25% 30% 35% 40% 45% 50% Rendimento elettrico 27

28 Conclusioni: i lavori del CTI stesura di norme tecniche per la conversione della misura delle emissioni da mg/nm 3 a emissioni output based, per la definizione di criteri per la valutazione delle emissioni di un sistema cogenerativo altre norme sulla determinazione del rumore trasmesso in aria e delle emissioni allo scarico per impianti di piccola cogenerazione alimentati a combustibili liquidi e gassosi 28

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