Termotecnica Pompe di Industriale. Roma, 15 maggio Gli atti dei convegni e più di contenuti su

Transcript

1 Termotecnica Pompe di Industriale Calore Roma, 15 maggio 2018 Gli atti dei convegni e più di contenuti su

2 Energia, efficienza e ottimizzazione dei processi DIPARTIMENTO TECNOLOGIE ENERGETICHE ATI Associazione Termotecnica Italiana - Convegno mcter Cogenerazione Innovazione, efficienza energetica e sostenibilità. Nuovi incentivi Roma 15 maggio 2018 Auditorium del Massimo Ing. Tommaso Crescenzi Resp. Divisione Solare termico e Termodinamico

3 La Cogenerazione Obiettivo Migliorare le prestazioni di macchine/impianti per la produzione di energia elettrica a basso impatto ambientale Vantaggi risparmio di energia primaria (fino al 40%) rispetto ai sistemi tradizionali riduzione impatti ambientali (riduzione emissioni CO 2 fino al 30%) Opportunità - Generazione distribuita - Reti elettriche smart - Controllo da remoto - Diversificare le fonti energetiche con la diffusione delle fonti rinnovabili 2

4 La Cogenerazione Con il termine cogenerazione si intende la produzione combinata di energia elettrica/meccanica e di energia termica (calore) ottenute in appositi impianti utilizzanti la stessa energia primaria. A partire dal potere calorifico del combustibile (energia chimica), si realizza un ciclo termodinamico a combustione, sfruttando i livelli termici più alti per produrre energia elettrica e cedendo il calore residuo a più bassa temperatura per soddisfare le esigenze termiche. Si ottiene pertanto un risparmio energetico sull energia primaria utilizzata Ciclo termodinamico a combustione esterna Ciclo termodinamico a combustione interna Schema indicativo sul risparmio dell energia primaria di un impianto di cogenerazione, rispetto ai tradizionali sistemi di produzione di energia elettrica e calore (fonte: ingegneri.info Teknoring Network) Schema di un sistema di trigenerazione 3

5 Prestazioni di un cogeneratore rendimento di primo principio sistema cogenerativo Risparmio di energia primaria (primary energy saving) > 10% per cogenerazione ad alto rendimento (CAR, DM 4 Agosto 2011 e s.m.i.) Ec CHP = l energia, espressa in kwh, del combustibile consumato per produrre in cogenerazione. Ee CHP = l energia elettrica, espressa in kwh, prodotta in cogenerazione Et CHP = l energia termica utile, espressa in kwh, prodotta in cogenerazione h ES = rendimento medio convenzionale del parco di produzione elettrica italiano (0,46) corretto in funzione della tensione di allacciamento, della quantità di energia auto consumata e della quantità di energia immessa in rete. h TS = rendimento medio convenzionale del parco di produzione termico italiano (0,82 per utilizzo diretto dei gas di scarico e 0,90 per produzione di vapore/acqua calda). 4

6 Tecnologie per la cogenerazione Le principali tecnologie per la generazione combinata elettrica e termica sono: Impianti con turbine a vapore Impianti con turbine a gas Impianti con microturbine a gas Impianti a ciclo combinato Impianti con motore a combustione interna Impianti a biomassa Impianti con motore Stirling Impianti CSP (Concentrating Solar Power) L ENEA, attraverso il Dipartimento Tecnologie Energetiche, svolge attività di ricerca, sviluppo, dimostrazione e promozione su tutte queste tecnologie, concentrandosi principalmente negli impianti CSP e biomassa e contribuendo significativamente alla loro diffusione. 5

7 Tecnologia Solare CSP Sono presenti due componenti: CONCENTRATORE dove la radiazione solare è raccolta e concentrata RECEVITORE dove l energia solare è convertita in calore ad alta temperatura trasferito ad un fluido Il ricevitore insieme al concentratore rappresentano la caldaia di un impianto convenzionale, il combustibile è la radiazione solare CONCENTRATORE RICEVITORE Fluido termovettore 6

8 Tecnologia Solare CSP CONCENTRATORE Calore solare IMPIANTO DI PRODUZIONE Calore di processo Elettricità RICEVITORE Accumulo termico Combustibile 7

9 Tecnologia Solare CSP 8

10 Tecnologia Solare ENEA DNI 1936 KWhm -2 y -1 Apertura collettore 6 m Lughezza collettore 100 m Numero collettori 54 (9 loops of 6 collettori) Superficie collettori 3 ha Energia termica accumulata 28.3 GWhy -1 Energia elettrica prodotta 9.6 GWhy -1 Efficienza media 15.6 % Combustibile non impiegato 2030 TEPy -1 Emissioni di CO 2 evitate 6300 ty -1 Impianto Archimede ENEL Archimede 5 MWe 9

11 Attività di Ricerca Impianti Solari CSP La Divisione Solare DTE-STT è impegnata nell analisi e sviluppo di applicazioni del Solare a Concentrazione su diverse linee di ricerca. tra queste lo sviluppo di impianti CSP per la generazione e cogenerazione distribuita: 10

12 Impianti Solari CSP Per la generazione termoelettrica ad efficienze soddisfacenti è necessario catturare e accumulare l energia solare a temperature sufficientemente elevate. Per questo l ENEA da anni ha sviluppato la tecnologia dei collettori lineari con sali fusi quale fluido termico fino a 550 C Al tempo stesso il Solare a Concentrazione si presta all utilizzo diretto del calore quale fluido di processo. Il costo del kwh termico prodotto da CSP è già oggi prossimo al kwh fossile anche su impianti di taglia medio-piccola (< 10 MW termici): fonte: 11

13 Impianti Solari CSP e la cogenerazione Vantaggi degli impianti CSP : Cogenerazione e trigenerazione facilmente applicabili e programmabili: l energia primaria solare raccolta e accumulata in forma di energia termica viene utilizzata successivamente in funzione della domanda energetica e del tipo di applicazione. Ibridizzazione (biomassa o FV) e Autonomia energetica Possibili applicazioni: Produzione di acqua mediane dissalatori termici (tipo MED) Produzione di frigorie mediante chiller ad assorbimento per varie applicazioni, civili o industriali Tele-riscaldamento di ambienti civili o industriali Generazione di vapore di processo per varie applicazioni (es. trattamento biomasse) 12

14 Impianti Solari CSP Ibridi-multigenerazione SISTEMA IBRIDO SOLARE-BIOMASSA FotoVoltaico SISTEMA SOLARE IN MULTIGENERAZIONE SISTEMA IBRIDO SOLARE - BIOMASSA - FV 13

15 Impianti Solari a Concentrazione cogenerativi La cogenerazione da CSP è combinata con idonei sistemi di accumulo termico ad alta temperatura che permettono di programmare, stabilizzare ed estendere l approvvigionamento combinato di elettricità/calore il carico può essere disposto in cascata oppure in parallelo rispetto a sistema di accumulo termico (Thermal Energy Storage = TES). Alcuni esempi: Esempio di CSP co-generativo con dissalatore e chiller in serie rispetto al TES e Power Block costituito da un ORC Esempio di CSP co-generativo con Power Block, dissalatore e chiller in parallelo rispetto al TES 14

16 Esempi di progetti: progetto MATS Progetto MATS Impianto CSP co-generativo da 1 MWe con co-generazione di acqua dissalata realizzato nei pressi di Alessandria d Egitto 15

17 Esempi di progetti: progetto MATS Progetto MATS Impianto CSP co-generativo da 1 MWe con co-generazione di acqua dissalata realizzato nei pressi di Alessandria d Egitto 16

18 Esempi di progetti: progetto MATS Progetto MATS: area TES, gas back-up, co-generatore, dissalatore 17

19 Esempi di progetti: progetto MATS Progetto MATS: flessibilità della tecnologia ibrida co-generativa 18

20 Impianto STS-Med in Sicilia Progetto STS-Med Impianto pilota CSP co-generativo: TES (a sali fusi, «passivo») con in parallelo unità ORC (10 kwe) e chiller

21 Impianto STS-Med in Sicilia Progetto STS-Med Impianto pilota CSP co-generativo: TES (a sali fusi, «passivo») con in parallelo unità ORC (10 kwe) e chiller

22 Impianto STS-Med in Sicilia Progetto STS-Med Impianto pilota CSP co-generativo: TES (a sali fusi, «passivo») con in parallelo unità ORC (10 kwe) e chiller Type of collector Solar Field Linear Fresnel - Idea Global aperture area m 2 Heat Transfer Fluid (HTF) Peak thermal power Total receiver lenght Thermal oil Paratherm NF 185 kw 84 m (3 x 28 m receivers rows) Working temperature (outlet) 280 C Thermal Energy Storage (TES) Medium Ternary molten salts mix. Volume 8 m 3 Capacity 400 kwh Avg. temp. 260 C Power Block Element ORC Electric Power 10 kw Medium Thermal oil Chiller unit Element Double Effect Chilling Power 23 KWc COP1 Medium Br/Li

23 Tecnologia TREBIOS TRigenerazione con Energie rinnovabili: BIOmasse e Solare termodinamico Biomasse da residui agricoli (potature e stocchi) e da coltivazioni erbacee e arboree 22

24 Tecnologia OMSoP Basata su integrazione tecnologia Disco Solare e MGT per produzione distribuita di elettricità (5-15 kw) e cogenerazione Sistema a ciclo Brayton rigenerativo Sostituzione motore Stirling con MGT al fine di incrementare affidabilità e vita utile Impianto realizzato presso Centro ENEA Casaccia Poligenerazione: possibile utilizzo calore di scarto ENEL Archimede 5 MWe Ibridizazzione: possibile alimentazione con biocombustibili per produzione on demand 23

25 Tecnologia OMSoP Possibile sistema di cogenerazione Aria calda in uscita da turbina Raffreddamento dello schermo Elettricità 24

26 Cogenerazione da biomasse Caratteristica di programmabilità con possibile funzione da volano nelle Smart City e Smart Grid Filiere più sviluppate: biomasse legnose (combustione e gassificazione) e biomasse fermentescibili (processo digestione anaerobica) 25

27 Cogenerazione da biomasse Schema di filiera per la produzione di energia elettrica e termica da biomasse 26

28 Impianti di combustione Impianti di combustione Accoppiati a: Turbine a vapore > 1-2 MWe ORC (organic rankine Cycle) > 100 KWe 5 MWe Efficienza elettrica: 10 15% (ORC) - 20% (turbine a vapore) Efficienza termica: 45% - 80% Elevata maturità tecnologica Elevata flessibilità di alimentazione Emissioni inquinanti in base alla tipologia di combustibile utilizzata schema di impianto di cogenerazione a biomassa con turbina a vapore (IEA, 2015) schema di impianto di cogenerazione a biomassa con ORC (Turboden) 27

29 Cogenerazione da biomasse: gassificazione Impianti di gassificazione Accoppiati a: motori a combustione interna Microturbine a gas (tecnologia non ancora matura) Fuel cells (tecnologia non ancora matura) Taglia: 20 kwe 500 kwe Efficienza elettrica: 25% Efficienza termica: 45% - 55% Maturità tecnologica raggiunta per soli MCI Bassa flessibilità di alimentazione (legno, gusci, nocciolino) Basse emissioni inquinanti azienda biomass feeding rate (kg/h) P el (kwe) P t (kwt) M (wt %) oper. time (h/y) thermal energy start up Pirogass wood chip (1-6 cm) 200 ( ) max 25 % 8000 SynCraft wood chip G30 - G < 10 % 90 / 70 C water Burkhardt pellet < 10 % / 70 C water CMD wood chip G < 20 % URBAS / Pinosa wood chip - briquettes from 63 to 270 from 70 to 300 from 140 to / C ESPE wood chip P < 10 % Froling wood chip P31S - P45S < 10 % / 60 C water 5-20 min Energy Lab wood chip G30 - G ( ) % 7500 Spanner wood chip G30 - G < 15 % / 65 C water 15 min Syn-Gas wood chip G < 20 % min Ligento Green Power wood chip - briquettes % / 70 C water 45 min Elenco di alcuni produttori e modelli di impianti di cogenerazione basati sulla tecnologia di gassificazione (ENEA, 2017) 28

30 Attività di ricerca e sviluppo Maggiori problematiche affrontate: sviluppo di tecnologie di nuova concezione per l utilizzo di sistemi d cogenerazione con più elevata efficienza energetica e con ridotte emissioni inquinanti, quali ad esempio microturbine e fuel cells aumento della flessibilità di alimentazione dei gassificatori, per poter utilizzare scarti delle produzioni agricole, rifiuti e sottoprodotti di attività agroindustriali. miglioramento della qualità del gas combustibile prodotto, in termini di composizione e contenuto di composti indesiderati, al fine di ottenere una maggiore affidabilità del sistema di cogenerazione e ridurre i tempi di manutenzione (fermo impianto) sviluppo di sistemi di pulizia del gas caratterizzati da minor dispendio energetico e di materiali, con riduzione dei reflui i nostri impianti impianto a letto fisso downdraft kwe Impianto a letto fluidizzato bollente con circolazione interna 1 MWth impianto a doppio letto fluidizzato 500 kwth impianto multistadio 500 kwth impianto a letto fisso updraft 150 kwth 29

31 Progetto UNIfFY: (Unique Gasifer for Hydrogen Production) Coordinatore CIRPS / Università dell Aquila Impianto da 1 Mwt Enea Trisaia Risultati Raggiunti; Produzione di idrogeno con grado di purezza 99,99 %, polvere rimosse > 99 % Caratteristiche impianto: - Molto compatto - Ridotti costi di investimento; - Ridotti costi di manutenzione Si presta bene per applicazioni elettriche distribuite e cogenerative con accoppiamento di fuel cell 30

32 Recupero Termico a bassa temperatura ORCLab Sviluppo e sperimentazione su impianto ORC 2 kwe OBIETTIVI Recupero energetico da cascami termici a bassa temperatura (<100 C). Individuazione della soluzione impiantistica e del fluido di lavoro più performante sulla piccola scala. Sviluppo componenti. ORC Lab Taglia: 2 kwe. Fluidi impiegabili: HFC (R245fa, R134a,..). Pressione massima di esercizio: 15 bar. Temperatura massima di esercizio: 150 C. Temperatura massima simulatore termico: 200 C. 31

33 Grazie per l attenzione Tommaso Crescenzi tommaso.crescenzi@enea.it Tecnologia CSP C.R. Casaccia 7 Febbraio 2018