Cogenerazione per il domestico: la nuova sfida Principi e tecnologie. Mauro Braga bra@viessmann.com. Ordine degli ingegneri della Provincia di Latina

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1 Cogenerazione per il domestico: la nuova sfida Principi e tecnologie Mauro Braga bra@viessmann.com Ordine degli ingegneri della Provincia di Latina 24 giugno

2 Viessmann Group 1917 Fondazione Dipendenti 2,1 Miliardi di euro di fatturato 27 Siti produttivi in 11 paesi 74 Organizzazioni e partner di distribuzione Filiali di vendita in tutto il mondo % di fatturato all estero Paesi sedi delle società Partner di distribuzione 2

3 Viessmann Group Allendorf (DE) fondata nel siti produttivi per la produzione di tutti i componenti fondamentali Ricerca & Sviluppo = Know-How = valorizzazione dell azienda 3

4 Programma completo Residenziale Grandi impianti 1,5 kw kw 4

5 VIESSMANN GROUP Un programma completo Cogenerazione a gas naturale e biogas 5

6 VIESSMANN GROUP Un programma completo Cogenerazione da biomassa e/o produzione biogas 6

7 Accademia Viessmann 7

8 VIESSMANN ITALIA 250 dipendenti SEDE - Balconi di Pescantina (VR) 12 filiali sul territorio italiano: VERONA Novara Milano Bergamo Bolzano Venezia BOLZANO VENEZIA BOLOGNA MILANO Torino Cuneo Verona Bologna Ancona NOVARA BERGAMO CUNEO Firenze Sud TORINO FIRENZE Roma ROMA ANCONA SUD + Rete KAM per impianti tecnologici di grande potenza + Centro di competenza per la biomassa a Bressanone (BZ) 8

9 IL PROGETTO EFFIZIENZ PLUS Applicando in prima persona la nostra tecnologia nei siti produttivi abbiamo ottenuto: Un risparmio di energia primaria pari al 40% una riduzione di CO 2 dell 80% 9

10 Obiettivi della cogenerazione La cogenerazione mira a un più efficiente utilizzo dell energia primaria - con interessanti vantaggi economici - in tutte quelle applicazioni laddove esiste una forte contemporaneità di fabbisogni elettrici e termici Efficienza Ambiente 10

11 Definizione di cogenerazione Convgno Ord. Ing. Latina 2014 La cogenerazione è la produzione combinata di energia elettrica e calore che garantisce un significativo risparmio di energia primaria rispetto agli impianti separati, secondo le modalità definite dall Autorità per l energia elettrica e il gas (art. 2, comma 8 D.lgs. N 79/1999) Produzione centralizzata / Distribuita Produzione di energia elettrica centralizzata Produzione di energia elettrica distribuita Il calore prodotto deve essere dissipato Solo il 38% del combustibile viene trasformato in energia elettrica Il calore prodotto viene utilizzato direttamente nell edificio Risparmio minimo del 20% di energia primaria (PES) Economico ed ecologico 11

12 Definizione AEEG Delibera 19 marzo 2002 n. 42/2002 Per cogenerazione si intende un processo integrato di produzione combinata di energia elettrica o meccanica e di energia termica, entrambe considerate effetti utili, realizzato dalla sezione di un impianto di produzione combinata di energia elettrica e calore che, a partire da una qualsivoglia combinazione di fonti primarie di energia e con riferimento a ciascun anno solare, soddisfi entrambe le condizioni concernenti il risparmio di energia primaria e il limite termico (concetti oggi superati dal PES) 12

13 Efficienza di impianti di cogenerazione: 1 principio Centrale elettrica Viessmann Vitotwin 300-W potenzialità: 0,99 kwel 26 kwterm 62% perdite in forma di calore 38% elettr. 81% calore 15% elettr. 4% perdite efficienza complessiva: 38% efficienza complessiva: 96% 13

14 Definizioni Generazione centralizzata Gestione tradizionale della rete elettrica, con poche grandi centrali collegate alla rete di distribuzione ad altissima tensione 14

15 TD-Frühjahrsschulung 2009 Vitoligno 100-S Convgno Ord. Ing. Latina 2014 Definizioni Generazione distribuita Generazione di energia elettrica in unità di piccole dimensioni localizzate in più punti del territorio 15

16 Innovazione : Smart Grid Smart grid è l insieme di una rete di distribuzione elettrica gestita in maniera intelligente sotto l aspetto delle funzionalità, efficienza al fine di un uso più razionale dell energia minimizzando le variazioni intorno al suo valore nominale TOMORROW TODAY 16

17 Ambito applicativo L impianto cogenerativo trova principalmente due tipologie di applicazione: industriale, mediante l inserimento nel processo produttivo civile (terziario e residenziale), per la climatizzazione degli edifici e la produzione di ACS (acqua calda sanitaria) 17

18 Vantaggi Cogenerazione, vantaggi generali risparmio delle fonti energetiche primarie riduzione delle emissioni climalteranti vantaggi ambientali maggiore sicurezza della fornitura elettrica ridotti pay-back time 18

19 Vantaggi Cogenerazione, vantaggi operativi priorità di dispacciamento riconoscimento di titoli di efficienza energetica certificati bianchi agevolazioni fiscali su accise gas naturale scambio sul posto (per sistemi < 200 kw e ) cessione della energia elettrica immessa in rete vedi GSE condizioni tecnico-economiche di connessione semplificate (<1Kw) 19

20 Tecnologie applicate in cogenerazione 20

21 Tecnologie più comuni La cogenerazione utilizza sistemi di generazione diversificati: motori endotermici (ciclo Otto, ciclo Miller, ciclo Diesel) turbine a vapore, turbine a gas e microturbine, cicli combinati altro (motori Stirling, ORC, celle combustibili, ecc) 21

22 Tecnologie Componenti fondamentali di un sistema CHP motore per la conversione del combustibile in energia meccanica generatore per la conversione dell energia da meccanica a elettrica 22

23 Generatore elettrico Convgno Ord. Ing. Latina 2014 Con la cogenerazione si entra nel mondo della Power Generation (produzione di energia elettrica con generatore),due tecnologie applicabili alla cogenerazione: Motore asincrono è un tipo di motore elettrico in corrente alternata in cui la velocità di rotazione dell'albero è minore della velocità di rotazione del campo magnetico generato dagli avvolgimenti di statore, ovvero non c'è sincronismo tra le due velocità. tale motore viene utilizzato come generatore quando le potenze in gioco sono contenute Motore sincrono è un tipo di motore elettrico in corrente alternata la cui velocità di rotazione è sincronizzata con quella del campo magnetico rotante e quindi la sua frequenza elettrica. 23

24 Tecnologie scambio termico sistema di recupero termico per il recupero dei cascami termici del motore e la loro conversione in energia termica utilizzabile interconnessioni elettriche per connessione alla rete distributiva 24

25 COGENERAZIONE RISPARMIO DI ENERGIA PRIMARIA Flussi energetici Soluzione tradizionale Cogenerazione Consumo di energia primaria: 137 Approvvigionamento tradizionale 100 COGENERAZIONE In questo caso: Risparmio di energia primaria (PES): 37/137 = 27% 25

26 PES: Risparmio di energia primaria Confronto caldaia a condensazione - cogenerazione produzione di calore ed energia elettrica separata cogeneratore Vitobloc 200 Centrale elettrica (energia elettrica) Vitobloc 200-EM calore e corrente 56 kw th energia primaria 60% 126 kw th 33,5 kw 22,5 kw el 90% 10% 100 kw th energia primaria rend. 40% rend. 25% 70 kw th energia primaria caldaia a condensazione (calore) rend. 98% 1,5 kw 68,5 kw el rend. 65% 35 kw 10 kw Energia introdotta Vitobloc 200-EM = 100% (100 kw) Energia introdotta produzione separata = 126% (126 kw) PES = 1,26 26

27 Modalità di funzionamento Termico-guida La produzione di energia termica insegue il carico termico richiesto (senza superare la capacità del sistema di cogenerazione). Se l energia elettrica generata è maggiore del carico, l energia elettrica in eccesso viene ceduta alla rete. 27

28 Modalità di funzionamento Elettrico-guida L energia elettrica generata insegue il carico elettrico richiesto (senza superare la capacità del sistema di cogenerazione). Se il calore generato è inferiore al carico termico, una caldaia ausiliaria integra per soddisfare i fabbisogni; se è maggiore, il calore in eccesso viene immagazzinato in accumuli o dissipato nell ambiente attraverso sistemi appositi (da evitare!!!). 28

29 Viessmann programma completo Prodotti e potenzialità cogenerazione a gas naturale Convgno Ord. Ing. Latina 2014 Vitobloc EM kwel Vitotwin 300-W 0,99 kwel Vitobloc EM 200 5,5 kwel Vitobloc EM kwel Vitobloc EM kwel Vitobloc EM kwel Micro- coge 2kWel piccola cogenerazione 2-50 kwel Micro- cogenerazione < 50 kwel GERMANIA ITALIA cogenerazione > 50 kw el Piccola cogenerazione < 1000 kw el 29

30 Impianti di Cogenerazione Classificazione Microcogenerazione fino a 50 kwe Piccola cogenerazione da 50 kwe a 1 MWe Media cogenerazione da 1 MWe a 10 MWe Grande cogenrazione oltre 10 MWe 30

31 Panorama tecnologie per micro-cogenerazione (< 2 kw) Tecnologie presenti sul mercato. Tecnologia MICRO-KWK Combustione INTERNA Combustione ESTERNA Reazione CHIMICA Motore GAS Motore DIESEL Motore STIRLING PEMFC SOFC 33

32 Quali sono i vantaggi del sistema con motore Stirling? Confronto tecnico con le principali tecnologie di microcogenerazione Combustione INTERNA Combustione ESTERNA Reazione CHIMICA Rendimento complessivo: < 90 % > 95 % > 90 % Rendimento elettrico: < 30 % < 20 % > 30 % Efficienza a carico ridotto: Status della tecnologia: Media Buona Molto buona Matura Produzione di serie Field-test Manutenzione Elevata Nulla Media 34

33 VITOTWIN 300-W Micro-cogeneratore Stirling e generatore a condensazione per integrazione dei carichi termici 35

34 Microcogeneratore Vitotwin 300-W Caratteristiche tecniche Prestazioni dello Stirling: da 3,6 a 5,3 kw therm 0,6 a 1 kw elettr. Prestazioni del generatore: da 4,8 a 20 kw therm Dimensioni: A x L x P, 900x480x480 mm Rendimento complessivo 96% (H s ) 107% (H i ) Alimentazione a gas metano e GPL Rumorosità 46 db(a) Tensione 230 V, 50 Hz Collegamento in parallelo alla rete 36

35 Microcogeneratore Stirling VITOTWIN 300-W Convgno Ord. Ing. Latina 2014 Calore ed elettricità ideale per riqualificazione Potenza motore Stirling: 5,3 kw th Rendimento temico: 81 % (H S ) - 91,7 (H i ) 1 kw el Rendimento elettrico: 15 % (H S ) - 15,3 (H i ) Rendimento globale: 96 % (H S ) (H i ) Potenza generatore a condensazione integrato : 4,5-20 kw th Rendimento: 98 % (H S ) (H i ) Copertura del fabbisogno termico ed elettrico di base, (fabbisogno elettrico di picco prelevabile dalla rete) Energia elettrica in eccesso venduta o scambiata in rete ma soprattutto autoconsumata Motore Stirling esente da manutenzione Contenuti costi di installazione (simile alle caldaie) 37

36 Struttura e funzionamento del microcogeneratore Produzione di calore e corrente elettrica per case mono e plurifamiliari, palazzine uffici, centri benessere, palestre, attività commerciali, ecc. Scambiatore INOX-RADIAL con bruciatore Matrix cilindrico Bruciatore anulare ( per motore Stirling ) Motore Stirling e generatore elettrico Regolazione 38

37 MOTORE STIRLING Sezione costruttiva Motore Stirling Testata di riscaldamento Alettatura Rigeneratore Displacer Passaggio acqua di raffreddamento Pistone di lavoro 7 8 Magnete Avvolgimento 39

38 PRINCIPIO DI FUNZIONAMENTO DEL MOTORE STIRLING zona calda displacer zona fredda pistone di lavoro generatore di corrente molla elicoidale 40

39 Microcogeneratore VITOTWIN 300-W Schema di funzionamento Gas di scarico elettrodo accensione Elettrodo sorveglianza fiamma valvola di distribuzione aria aria fumi elettrodi di accensione e ionizzazione ventilatore valvole gas Mandata risc. a.c.s. Ritorno risc. 41

40 Collegamento idraulico del Vitotwin 300 Caratteristiche dell acqua di riscaldamento: secondo normativa VDI 2035 Potenzialità in KW Da considerare sempre il generatore di calore con potenzialità inferiore ( 6 KW ) < 50 < 20l/kW > 20 l/kw < 50 l/kw > 50 l/kw < 3,0 mol/m³ 16,8º dh < 2,0 mol/m³ 11,2º dh < 0,02 mol/m³ 0,11º dh N.B. 1º dh = 1,79º fr 42

41 VITOTWIN 300-W, 350-F 43

42 VITOTWIN 300-W, 350-F 44

43 COMPONENTI MOTORE STIRLING Bruciatore anulare 45

44 Componenti dei due bruciatori Convgno Ord. Ing. Latina 2014 Elettrodi del bruciatore anulare e del bruciatore supplementare Elettrodi di accensione bruciatore supplementare Elettrodo di ionizzazione del bruciatore supplementare Elettrodo di accensione e di ionizzazione del bruciatore anulare 46

45 MICROCOGENERATORE Allacciamento elettrico Il contatore di energia elettrica Z2 è inserito nel VITOTWIN Z2 Cavo 3 x 2,5 mm 2 Vitotwin 300-W omologato a 0,99 kw è compatibile con la norma CEI-021 ed è considerato alla stregua di un utenza passiva (elettrodomestico) 48

46 VITOTWIN 300 Allacciamento elettrico Convgno Ord. Ing. Latina 2014 Disposizione cavi separati Interrutttore differenziale dedicato al microcogeneratore Z1 Relaisbox. BSB-Bus cavo 3 x 2,5 mm 2 alimentazione separata 3 x 1,5 mm 2 (alimentazione esistente) Evitare il collegamento di altri utilizzatori al cavo di alimentazione del microcogeneratore 49

47 Microcogeneratore Cogenerazione con motore Stirling Calore ed elettricità 0,99 kw el 5, kw t 5, kw t 50

48 Microcogeneratore VITOTWIN 300-W Schema di impianto per ACS + Risc con accumulo inerziale Convgno Ord. Ing. Latina

49 Microcogeneratore VITOTWIN 300-W Schema di impianto per ACS + Risc con accumulo inerziale e generatore di integrazione Convgno Ord. Ing. Latina

50 Pacchetti di fornitura Microcogeneratore VITOTWIN 300-W Completo di tutta la componentistica d impianto Cofigurazione 1 telecomandio via radio Configurazione 2 telecomando via radio ATS 400l accumulo Vitocell 100-E ATS 750l accumulo Vitocell 340-M mensola di collegamento con deviatrice bollitore ACS 300 l mensola di collegamento miscelatore + miscelatore NL: 2,75 53

51 RISPARMIO DI ENERGIA PRIMARIA PES: Primary energy saving con VITOTWIN Produzione di calore ed energia elettrica separata Produzione di calore ed energia elettrica con un microcogeneratore Centrale elettrica (energia elettrica) energia primaria rend. 38% rend. 15% calore ed energia elettrica 96% 4% energia primaria energia primaria rend. 98% rend. 81% caldaia a condensazione (calore) energia introdotta Vitotwin 300-W = 100% (7,3 kw) energia introdotta produzione separata = 120% (8,75 kw) Primary Energie Saving (PES) = 20% 54

52 Microcogeneratori con motore Stirling e con tecnologia a celle a combustibile Convgno Ord. Ing. Latina 2014 Locale di installazione? D.M. 13 Luglio 2011 Le installazioni di gruppi e/o unita' di cogenerazione, aventi potenza nominale complessiva fino a 25 kw (microcogeneratori), sono effettuate dall'installatore secondo le prescrizioni fornite dal fabbricante del gruppo e/o unità di cogenerazione, riportate nel manuale di istruzioni per l'uso ed in base alle norme di buona tecnica. [nel rispetto della normativa inerente l installazione di normali apparecchiature a gas non cogenerative] 55

53 Microcogeneratore Schema di impianto 56

54 Microcogeneratore con motore Stirling Allacciamento Gas ed evacuazione fumi Gas e scarico fumi Collegamento gas: sistema di contabilizzazione gas per motore stirling integrato nella regolazione (sistema di rilevazione brevettato) Come in una caldaia murale a condensazione viene usato un sistema di scarico fumi unico da 60/100 per il bruciatore del motore stirling e la caldaia di integrazione 0000 ZG 57

55 Microcogeneratore VITOTWIN 300-W Regolazione digitale: Climatica Gestione fino a tre circuiti miscelati Produzione acqua calda sanitaria 58

56 Microcogeneratore VITOTWIN 300-W Funzione EPD Telecomando via radio Montaggio mediante basetta a parete in ambiente Funzioni di comando come unità di servizio del Vitotwin Funzione EPD (richiesta di corrente elettrica) Premendo il tasto la funzione EPD viene attivata. Attenzione: EPD è in funzione fino a quando il tasto viene nuovamente premuto, oppure fino a quando il tempo della funzione è scaduto. 59

57 Proposta sul mercato Le criticità riscontrate per l introduzione sul mercato tedesco sono: accettazione del contatore interno (distributori energia) collegamento in rete (vincolante) supporto nelle richieste di agevolazioni (utente finale) seminari di qualificazione (installatori) 15% 35% 20% 30% 60

58 FAQ: domande frequenti 1) VITOTWIN 300-W può funziona in isola rispetto alla rete (come un gruppo elettrogeno)? NO - Vitotwin 300-W funziona solo dove è presente la rete elettrica e funziona solo in parallelo con la stessa 2) VITOTWIN 300-W è considerato apparecchio in assetto cogenerativo ad alto rendimento e se si, può beneficiare dei certificati bianchi? SI - Vitotwin 300-W è un apparecchio in assetto cogenerativo ad alto rendimento (PES>0) può quindi beneficiare dei certificati bianchi (TEE) 61

59 FAQ: domande frequenti 3)Vitotwin 300-W è compatibile con le regolamentazioni di connessione alla rete elettrica nazionale? SI - Vitotwin 300-W producendo 0,99 kw el è compatibile con la norma CEI-021 ed è considerabile alla stregua di un utenza passiva (elettrodomestico). La potenza elettrica a 0,99 kw permette di avere iter di connessione elettrica facilitato ed evitare costi (sistemi di protezione esterni e pratiche amministrative) 4) Vitotwin 300-W: dove è conveniente installarlo? In tutte le applicazioni che autoconsumano sia l elettrico che il termico Applicazioni tipo: piccole realtà commerciali, piscine, ville mono - bifamiliari importanti, ristoranti, piccoli condomini, sedi uffici 62

60 VITOTWIN 300 Quali saranno gli operatori maggiormente interessati? In questa prima fase di inserimento sul mercato italiano saranno interessati al microcogeneratore Vitotwin 300-W gli operatori curiosi, che guardano al futuro, con propensione all innovazione e alla quale abbinano normalmente un discreto back-ground tecnico 63

61 VITOTWIN 300 La microcogenerazione con motore Stirling per il servizio domestico Calore ed elettricità contemporaneamente per l utenza domestica 64

62 STRATEGIA MICROCOGENERAZIONE Uno sguardo..all immediato futuro Celle a combustibile Motore stirling Vitovalor 300-P PEMFC-Technologie Vitotwin 300-W Stirlingmotor < kwh > kwh - Fabbisogno di calore + Nuove strutture Esistente 78

63 Novità Microcogenerazione con celle a combustibile Vitovalor 300-P PEM Hexis SOFC Potenzialità elettrica 0,75 kw 1,5 kw Potenzialità termica 1,0 kw 1,9 kw Rendimento elettrico 37 % > 40 % Rendimento totale Parte cogeneratore 90 % (H i ) 95 % (H i ) Durata parte cogeneratore h h Disponibilità sul mercato 04/2014 A partire da

64 VITOVALOR 300-P Generatore a celle combustibile PEM Potenzialità: 0,75 kw el, 1,0 kw th Cooperazione con Panasonic Prodotto in serie, in Giappone installati oltre dispositivi Cogenerazione per nuove costruzioni e ristrutturazioni Caldaia a condensazione integrata nel sistema con bolllitore acqua potabile e accumulo Intervallo di manutenzione di 2 anni Rendimento elettrico : 37 % Durata: h, 20 Anni Fornibile a partire da Aprile 2014 in Germania 80

65 Innovative Technologien für die Energiewende im Wärmemarkt - die Brennstoffzelle für das Ein- und Zweifamilienhaus Convgno Ord. Ing. Latina 2014 Celle a combustibile tipo PEM Principio di funzionamento + - Elettricità Aria H 2 Aria/Acqua Catodo Elettrolita (Membrana) Anodo H 2 81

66 Fuel-Cell tipologia PEM a bassa temperatura Piastra terminale Adduzione di idrogeno al catodo Adduzione di ossigeno ( aria ) all anodo Unità menbrana elettrolita (MEA) Canali liquido di raffreddamento (acqua deionizzata) Serie di celle Piastra terminale 82

67 VITOVALOR 300-P Micro-cogeneratore celle a combustibile Caratteristiche Potenza termica 1,0-20 kw elettrica 0,75 kw 0 2,5 5 7, , ,5 20 kw Micro-cogeneratore composto da: Modulo celle a combustibile, Caldaia a condensazione a metano a supporto, accumulo con serpentino per la produzione istantanea di ACS e bollitore sanitario con sistema idraulico Ore max.esercizio / Avviamenti max.: h / 4000 Funzionamento: Inseguimento termico / Otimizzazione della potenza Sistema separato tramite scambiatore a piastre dalla caldaia a condensazione di supporto 83

68 VITOVALOR 300-P Componenti Principali Dati Tecnici Potenza termica elettrica 0,75 kw 1,0 kw 0 0,25 0,5 0,75 1 1,25 1,5 1,75 2 kw Tecnologia Fuel cell : Bassa Temperatura PEM Rendimento modulo cogeneratore: Elettrico 37%; Termico 53%; Totale 90% (H i ) Temperatura di mandata costante 67 C Temperatura massima di ritorno 40 C Collegamento alla rete dell edificio ( 230 V / 50 Hz ), non possibile collegamento ad isola. Ore max.esercizio / Avviamenti max.: h / 4000 Funzionamento giornaliero continuo max. 20 ore ( 4 ore per rigenerazione del sistema ) 84

69 VITOVALOR 300-P Micro-cogeneratore celle a combustibile Corrente Continua Corrente Alternata (Rete) Inverter con sistema di raffreddamento Corrente Idrogeno + Ossigeno Corrente continua, Calore e Acqua Fuell-Cell Calore Unità Reformer e di desolforazione Metano Idrogeno, CO2 ( CO ) e Calore Gas 85

70 Concorso di idee 2014 La progettazione e la tecnica di qualità come opportunità economica Per informazioni sul concorso di idee 2014 : 87

71 I Contatti: Stay tuned Sito ufficiale di Viessmann Italia Dedicato al cliente e all utente finale Disponibili tutte le informazioni sull azienda, sulle attività, sui prodotti e sulle promozioni attuali Disponibili contatti dei CAT (centri assistenza tecnica) Disponibili contatti PE (Partner per l Efficienza Energetica) Sito Viessmann dedicato agli architetti e ai progettisti Raccoglie le migliori referenze con prodotti Viessmann Suddivisione per fonte di energia utilizzata e per area di applicazione

72 grazie per l attenzione 89